镍基复合材料激光增材制造热—力耦合过程及性能调控
发布时间：2020-12-23 12:56
本文基于ANSYS有限元数值模拟与实验研究相结合的思路,对选区激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）成形WC/Inconel 718复合材料过程中的热行为、应力行为进行了定量化研究,并进一步探讨了它们对材料内部显微组织和力学性能的影响机制。研究发现:SLM过程中存在明显的热积累效应,8 ms层间冷却时间的设置能够有效缓解该效应。当激光功率P从75 W增至150 W时,熔池内最大温度梯度从1.31×104°C/mm增至2.57×104°C/mm;温度梯度对扫描速度v的变化表现不敏感。WC颗粒的添加可显著影响复合材料内部显微组织生长行为。当小尺寸颗粒（5.25μm）被作为复合材料增强相时,可以观察到与颗粒边界近乎垂直的细密树枝晶组织的生成,显著增加了颗粒与基体的接触面积,并进一步提高了两者界面结合强度,此时摩擦系数曲线波动较为平缓,摩擦系数平均值较低（0.21）。基于热-力耦合SLM成形过程应力行为数值模拟,作者进一步发现,残余应力主要在部件冷却过程中形成,且以拉应力为主。不同扫描速度下粉床表面残余应力分布规律与不同激...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 激光增材制造 （Laser Additive Manufacturing，LAM） 发展简史
1.2 镍基高温合金
1.2.1 镍基高温合金发展简史
1.2.2 镍基高温合金Inconel 718
1.3 金属基复合材料
1.3.1 金属基复合材料的分类及特点
1.3.2 颗粒增强金属基复合材料
1.4 SLM过程热行为/应力行为研究现状
1.5 本课题主要研究内容
第二章 SLM实验方法及有限元数值模拟分析理论基础
2.1 粉体材料
2.2 粉末调配
2.3 选区激光熔化实验
2.4 样品表征及分析
2.4.1 冶金缺陷
2.4.2 显微组织
2.4.3 摩擦性能
2.4.4 显微硬度
2.5 SLM过程热行为分析理论基础
2.5.1 SLM物理过程
2.5.2 温度控制方程
2.5.3 初始条件及边界条件
2.5.4 激光热源模型设计
2.5.5 潜热的处理
2.5.6 材料热学属性
2.6 SLM过程应力行为分析理论基础
2.6.1 热弹塑性理论基础
2.6.2 屈服准则
2.6.3 流动准则
2.6.4 强化准则
2.6.5 热-力耦合分析理论
2.6.6 材料力学属性
第三章 Ni基复合材料激光增材制造过程热行为及熔凝机制
3.1 实验/数值模拟过程
3.2 结果与讨论
3.2.1 热行为演变机制
3.2.2 熔池特征及熔凝机制
3.2.3 实验验证
3.3 本章主要结论
第四章 Ni基复合材料激光增材制造颗粒/基体界面组织及摩擦性能调控机制
4.1 实验/数值模拟过程
4.2 结果与讨论
4.2.1 颗粒/基体界面显微组织演变机制
4.2.2 颗粒/基体界面变形调控机制
4.2.3 颗粒/基体界面裂纹调控机制
4.2.4 颗粒/基体界面摩擦性能
4.3 本章主要结论
第五章 Ni基复合材料激光增材制造过程应力演变机制及控制方法
5.1 实验/数值模拟过程
5.2 结果与讨论
5.2.1 SLM全过程应力演变行为
5.2.2 激光功率对残余应力的影响机制
5.2.3 激光扫描速度对残余应力的影响机制
5.2.4 实验验证
5.3 本章主要结论
第六章 结论
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光增材制造的热力学和动力学多尺度理解[J]. 顾冬冬,马成龙,夏木建,戴冬华,石齐民. Engineering. 2017(05)
[2]Selective laser melting 3D printing of Ni-based superalloy:understanding thermodynamic mechanisms[J]. Mujian Xia,Dongdong Gu,Guanqun Yu,Donghua Dai,Hongyu Chen,Qimin Shi. Science Bulletin. 2016(13)
[3]激光增材制造技术的研究现状及发展趋势[J]. 杨强,鲁中良,黄福享,李涤尘. 航空制造技术. 2016(12)
[4]激光增材制造技术在航空航天领域的应用与发展[J]. 田宗军,顾冬冬,沈理达,谢德巧,王东生. 航空制造技术. 2015(11)
[5]3D打印技术对航空制造业发展的影响[J]. 杨恩泉. 航空科学技术. 2013(01)
[6]空心叶片激光快速成形过程的温度/应力场数值模拟[J]. 贾文鹏,林鑫,陈静,杨海鸥,钟诚文,黄卫东. 中国激光. 2007(09)
[7]显微压入硬度试验的残余应力测定方法[J]. 周崎,戴华. 理化检验(物理分册). 2007(06)
[8]航空高性能金属结构件激光快速成形研究进展[J]. 王华明. 航空制造技术. 2005(12)
[9]直接金属选区激光多道烧结温度场有限元模拟[J]. 沈显峰,王洋,姚进,杨家林. 四川大学学报(工程科学版). 2005(01)
[10]颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望[J]. 王基才,尤显卿,郑玉春,程娟文. 硬质合金. 2003(01)
博士论文
[1]多组元金属粉末直接激光烧结过程数值模拟及烧结区域预测[D]. 沈显峰.四川大学 2005
硕士论文
[1]金属粉末选择性激光熔化成形模拟及试验研究[D]. 李佳桂.华中科技大学 2007
本文编号：2933756
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 激光增材制造 （Laser Additive Manufacturing，LAM） 发展简史
1.2 镍基高温合金
1.2.1 镍基高温合金发展简史
1.2.2 镍基高温合金Inconel 718
1.3 金属基复合材料
1.3.1 金属基复合材料的分类及特点
1.3.2 颗粒增强金属基复合材料
1.4 SLM过程热行为/应力行为研究现状
1.5 本课题主要研究内容
第二章 SLM实验方法及有限元数值模拟分析理论基础
2.1 粉体材料
2.2 粉末调配
2.3 选区激光熔化实验
2.4 样品表征及分析
2.4.1 冶金缺陷
2.4.2 显微组织
2.4.3 摩擦性能
2.4.4 显微硬度
2.5 SLM过程热行为分析理论基础
2.5.1 SLM物理过程
2.5.2 温度控制方程
2.5.3 初始条件及边界条件
2.5.4 激光热源模型设计
2.5.5 潜热的处理
2.5.6 材料热学属性
2.6 SLM过程应力行为分析理论基础
2.6.1 热弹塑性理论基础
2.6.2 屈服准则
2.6.3 流动准则
2.6.4 强化准则
2.6.5 热-力耦合分析理论
2.6.6 材料力学属性
第三章 Ni基复合材料激光增材制造过程热行为及熔凝机制
3.1 实验/数值模拟过程
3.2 结果与讨论
3.2.1 热行为演变机制
3.2.2 熔池特征及熔凝机制
3.2.3 实验验证
3.3 本章主要结论
第四章 Ni基复合材料激光增材制造颗粒/基体界面组织及摩擦性能调控机制
4.1 实验/数值模拟过程
4.2 结果与讨论
4.2.1 颗粒/基体界面显微组织演变机制
4.2.2 颗粒/基体界面变形调控机制
4.2.3 颗粒/基体界面裂纹调控机制
4.2.4 颗粒/基体界面摩擦性能
4.3 本章主要结论
第五章 Ni基复合材料激光增材制造过程应力演变机制及控制方法
5.1 实验/数值模拟过程
5.2 结果与讨论
5.2.1 SLM全过程应力演变行为
5.2.2 激光功率对残余应力的影响机制
5.2.3 激光扫描速度对残余应力的影响机制
5.2.4 实验验证
5.3 本章主要结论
第六章 结论
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光增材制造的热力学和动力学多尺度理解[J]. 顾冬冬,马成龙,夏木建,戴冬华,石齐民. Engineering. 2017(05)
[2]Selective laser melting 3D printing of Ni-based superalloy:understanding thermodynamic mechanisms[J]. Mujian Xia,Dongdong Gu,Guanqun Yu,Donghua Dai,Hongyu Chen,Qimin Shi. Science Bulletin. 2016(13)
[3]激光增材制造技术的研究现状及发展趋势[J]. 杨强,鲁中良,黄福享,李涤尘. 航空制造技术. 2016(12)
[4]激光增材制造技术在航空航天领域的应用与发展[J]. 田宗军,顾冬冬,沈理达,谢德巧,王东生. 航空制造技术. 2015(11)
[5]3D打印技术对航空制造业发展的影响[J]. 杨恩泉. 航空科学技术. 2013(01)
[6]空心叶片激光快速成形过程的温度/应力场数值模拟[J]. 贾文鹏,林鑫,陈静,杨海鸥,钟诚文,黄卫东. 中国激光. 2007(09)
[7]显微压入硬度试验的残余应力测定方法[J]. 周崎,戴华. 理化检验(物理分册). 2007(06)
[8]航空高性能金属结构件激光快速成形研究进展[J]. 王华明. 航空制造技术. 2005(12)
[9]直接金属选区激光多道烧结温度场有限元模拟[J]. 沈显峰,王洋,姚进,杨家林. 四川大学学报(工程科学版). 2005(01)
[10]颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望[J]. 王基才,尤显卿,郑玉春,程娟文. 硬质合金. 2003(01)
博士论文
[1]多组元金属粉末直接激光烧结过程数值模拟及烧结区域预测[D]. 沈显峰.四川大学 2005
硕士论文
[1]金属粉末选择性激光熔化成形模拟及试验研究[D]. 李佳桂.华中科技大学 2007
本文编号：2933756
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2933756.html
