移动热源作用下选择性激光熔化金属粉末的温度场有限元分析

发布时间：2017-07-31 20:29

  本文关键词：移动热源作用下选择性激光熔化金属粉末的温度场有限元分析

  更多相关文章： 选择性激光熔化 有限元 温度 熔池尺寸

【摘要】：选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)作为快速成型技术(Rapid Prototyping and Manufacturing, RPM)的重要分支,因其制造精度高,可快速加工金属等熔点较高的材料并生成工艺复杂的零件而备受关注。但是由于工艺技术的限制,SLM在加工金属材料时仍存在球化、变形等许多缺陷,而仅仅通过实验的方法探索需要消耗大量的财力、人力,因此数值模拟方法受到越来越多的关注。通过数值模拟的方法研究SLM过程中温度场和熔池尺寸的变化规律可以预测工艺参数以及材料性能等因素对温度场和熔池尺寸的影响,降低实验次数,减小成本,为实验操作提供理论依据。本文针对TiAl6V4材料,建立了包含移动热源的能量守恒方程,其中材料的热物性参数随时间呈现非线性变化,且在不同的温度区域内动态变化。通过建立有限元模型,采用有限元方法求解SLM过程的温度场,获得了温度场和熔池的变化规律,并通过前人的实验和数值模拟工作验证了本文中的模型和实验方法的正确性。文中详细讨论了线性能量密度(Laser Energy Density, LED)、扫描路径长度、扫描路径间距、相邻路径的时间间隔、是否使用基板对温度场和熔池尺寸的影响,并且深入研究了扫描过程中各个点的温度变化规律和最高温度随时间的变化历程,并且对比了模拟过程中是否考虑材料的体积皱缩对结果的影响。研究结果表明,增加激光功率或者降低扫描速度都可以增加LED的值,从而提高温度场中的温度和增加熔池尺寸,但是激光功率比扫描速度对结果的影响更加明显；缩短扫描路径和减小相邻路径之间的间距都可以提高熔池温度,缩短相邻路径之间的时间间距可以减小温度梯度；扫描时采用基板可以使熔池更好地铺展,且热量可以及时的扩散,有利于接下来的扫描和铺粉；模拟时无论是否考虑材料的体积皱缩,其对表面的温度场的影响是一样的,但是考虑体积皱缩时熔池内部的平均温度明显升高,熔池尺寸也更接近于实际情况。
【关键词】：选择性激光熔化 有限元 温度 熔池尺寸
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH16
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 引言9-10
• 1.2 SLM国内外研究现状10-12
• 1.3 SLM的工艺缺陷12-13
• 1.3.1 球化12
• 1.3.2 裂纹12-13
• 1.4 数值模拟的优势13-14
• 1.5 本文的研究内容及研究意义14-15
• 第2章 SLM过程热分析15-20
• 2.1 SLM过程的特点15
• 2.2 SLM过程的影响因素15-18
• 2.2.1 材料特性15-16
• 2.2.2 工艺参数16-18
• 2.3 粉体热物性参数变化规律18-19
• 2.4 本章小结19-20
• 第3章 SLM过程温度场有限元分析20-30
• 3.1 热传导方程20-22
• 3.2 非线性有限元方程22-23
• 3.3 SLM温度场有限元模型23-25
• 3.4 初始条件和边界条件25-27
• 3.5 模型验证27-29
• 3.6 本章小结29-30
• 第4章 温度场模拟结果分析30-43
• 4.1 LED对温度场的影响30-33
• 4.2 温度场分布规律33-38
• 4.3 基板的影响38
• 4.4 体积皱缩的影响38-41
• 4.5 本章小结41-43
• 第5章 结论与展望43-46
• 5.1 研究结论43-44
• 5.2 主要创新44
• 5.3 展望44-46
• 参考文献46-50
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果50-51
• 致谢51

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本文编号：601035