激光选区熔化氧化铝成形缺陷及其抑制方法研究
发布时间：2021-08-20 05:36
激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）陶瓷技术发展迅速,其不受零件形状限制的特性使得复杂形状陶瓷零件的成形加工成为可能,但是陶瓷材料,尤其是氧化铝材料具有熔点高、激光能量吸收率低、脆性大和韧性差的固有特性,很容易在高能激光带来的高温度梯度和大激光冲击下产生各类成形缺陷,对SLM氧化铝零件的工艺性和力学性能造成严重损害。面对SLM氧化铝零件性能易损、加工困难的难题,迫切需要从原理上对SLM氧化铝成形缺陷理论体系进行研究,并针对其缺陷产生和扩展的本质提出针对性的缺陷抑制方法。本文以建立SLM氧化铝缺陷体系、设计缺陷抑制方法为目的,在结合国内外研究的基础上,通过不同激光工艺参数和扫描策略的角度设计了氧化铝SLM实验,为成形缺陷研究提供分析基础;针对SLM氧化铝成形缺陷的基本类型、成形机理、扩展机制和性能破坏方式进行了系统性分析;从优化工艺参数、调整材料体系和高温热处理的角度设计了多种缺陷抑制方法,并基于不同缺陷类型对其缺陷抑制原理、激光工艺参数影响和缺陷抑制效果进行了详细阐述;针对裂纹缺陷设计了一种纤维增韧SLM氧化铝基体方法,包括纤维选取、表面处理方式、铺设...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SLM成形原理图
1绪论硕士学位论文4成形。德国Fraunhofer激光技术研究所的Hagedorn[11]对包括氧化铝陶瓷在内的氧化物陶瓷SLM成形技术进行了研究，通过CO2激光器SLM氧化铝粉末，探索了氧化铝SLM的基本工艺路线和激光参数，无任何后处理地成形了致密度接近100%的网状样品。最后结合氧化铝和氧化锆SLM成形技术制造了完整的Al2O3/ZrO2复合陶瓷牙科修复体，如图1.2所示，验证了通过SLM技术制造单个复杂形状的高强度陶瓷零件的可行性。图1.2SLM氧化铝/氧化锆复合陶瓷牙科修复体昆士兰大学的ZhiqiFan等[12]对氧化铝进行了单条熔道扫描实验，通过三维瞬态热仿真分析熔道的热行为，并结合熔道几何形状，微观结构和微观力学性能验证其仿真准确性。研究发现激光能量密度较低时，凝固熔道主要由柱状枝晶组成，而当激光能量密度较高时，试样中出现沿着熔道中心线分布的等轴枝晶，由于凝固界面处的冷却速率增加，枝晶晶粒的尺寸随着功率下降而减小，固化轨道的显微硬度发现与晶界强化效应有关的晶粒尺寸成反比。QiangChen等[13]通过有限元热仿真氧化铝SLM熔道，评估两种现象对SLM熔道形状的影响：一是激光与粉末的相互作用，二是马兰戈尼(Marangoni)对流效应。研究得到了激光与粉末相互作用关系对激光能量横向散射和材料能量吸收的影响，以及Marangoni效应对表面张力梯度以熔池中的流体动力学状态的影响规律，最终得到了熔道形貌随材料和工艺条件的变化规律。在后续研究中[14]，基于比尔-朗伯定律，结合热力学耦合计算了Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的熔化-凝固路径，得出适用于Al2O3/ZrO2材料的体热源模型，并在此模型基础上进行了变激光工艺参数实验，研究了工艺参数对温度分布，熔池尺寸和晶体成形的影响。图1.3SLM氧化铝-锂辉石试样
1绪论硕士学位论文4成形。德国Fraunhofer激光技术研究所的Hagedorn[11]对包括氧化铝陶瓷在内的氧化物陶瓷SLM成形技术进行了研究，通过CO2激光器SLM氧化铝粉末，探索了氧化铝SLM的基本工艺路线和激光参数，无任何后处理地成形了致密度接近100%的网状样品。最后结合氧化铝和氧化锆SLM成形技术制造了完整的Al2O3/ZrO2复合陶瓷牙科修复体，如图1.2所示，验证了通过SLM技术制造单个复杂形状的高强度陶瓷零件的可行性。图1.2SLM氧化铝/氧化锆复合陶瓷牙科修复体昆士兰大学的ZhiqiFan等[12]对氧化铝进行了单条熔道扫描实验，通过三维瞬态热仿真分析熔道的热行为，并结合熔道几何形状，微观结构和微观力学性能验证其仿真准确性。研究发现激光能量密度较低时，凝固熔道主要由柱状枝晶组成，而当激光能量密度较高时，试样中出现沿着熔道中心线分布的等轴枝晶，由于凝固界面处的冷却速率增加，枝晶晶粒的尺寸随着功率下降而减小，固化轨道的显微硬度发现与晶界强化效应有关的晶粒尺寸成反比。QiangChen等[13]通过有限元热仿真氧化铝SLM熔道，评估两种现象对SLM熔道形状的影响：一是激光与粉末的相互作用，二是马兰戈尼(Marangoni)对流效应。研究得到了激光与粉末相互作用关系对激光能量横向散射和材料能量吸收的影响，以及Marangoni效应对表面张力梯度以熔池中的流体动力学状态的影响规律，最终得到了熔道形貌随材料和工艺条件的变化规律。在后续研究中[14]，基于比尔-朗伯定律，结合热力学耦合计算了Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的熔化-凝固路径，得出适用于Al2O3/ZrO2材料的体热源模型，并在此模型基础上进行了变激光工艺参数实验，研究了工艺参数对温度分布，熔池尺寸和晶体成形的影响。图1.3SLM氧化铝-锂辉石试样
本文编号：3352918
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
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SLM成形原理图
1绪论硕士学位论文4成形。德国Fraunhofer激光技术研究所的Hagedorn[11]对包括氧化铝陶瓷在内的氧化物陶瓷SLM成形技术进行了研究，通过CO2激光器SLM氧化铝粉末，探索了氧化铝SLM的基本工艺路线和激光参数，无任何后处理地成形了致密度接近100%的网状样品。最后结合氧化铝和氧化锆SLM成形技术制造了完整的Al2O3/ZrO2复合陶瓷牙科修复体，如图1.2所示，验证了通过SLM技术制造单个复杂形状的高强度陶瓷零件的可行性。图1.2SLM氧化铝/氧化锆复合陶瓷牙科修复体昆士兰大学的ZhiqiFan等[12]对氧化铝进行了单条熔道扫描实验，通过三维瞬态热仿真分析熔道的热行为，并结合熔道几何形状，微观结构和微观力学性能验证其仿真准确性。研究发现激光能量密度较低时，凝固熔道主要由柱状枝晶组成，而当激光能量密度较高时，试样中出现沿着熔道中心线分布的等轴枝晶，由于凝固界面处的冷却速率增加，枝晶晶粒的尺寸随着功率下降而减小，固化轨道的显微硬度发现与晶界强化效应有关的晶粒尺寸成反比。QiangChen等[13]通过有限元热仿真氧化铝SLM熔道，评估两种现象对SLM熔道形状的影响：一是激光与粉末的相互作用，二是马兰戈尼(Marangoni)对流效应。研究得到了激光与粉末相互作用关系对激光能量横向散射和材料能量吸收的影响，以及Marangoni效应对表面张力梯度以熔池中的流体动力学状态的影响规律，最终得到了熔道形貌随材料和工艺条件的变化规律。在后续研究中[14]，基于比尔-朗伯定律，结合热力学耦合计算了Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的熔化-凝固路径，得出适用于Al2O3/ZrO2材料的体热源模型，并在此模型基础上进行了变激光工艺参数实验，研究了工艺参数对温度分布，熔池尺寸和晶体成形的影响。图1.3SLM氧化铝-锂辉石试样
1绪论硕士学位论文4成形。德国Fraunhofer激光技术研究所的Hagedorn[11]对包括氧化铝陶瓷在内的氧化物陶瓷SLM成形技术进行了研究，通过CO2激光器SLM氧化铝粉末，探索了氧化铝SLM的基本工艺路线和激光参数，无任何后处理地成形了致密度接近100%的网状样品。最后结合氧化铝和氧化锆SLM成形技术制造了完整的Al2O3/ZrO2复合陶瓷牙科修复体，如图1.2所示，验证了通过SLM技术制造单个复杂形状的高强度陶瓷零件的可行性。图1.2SLM氧化铝/氧化锆复合陶瓷牙科修复体昆士兰大学的ZhiqiFan等[12]对氧化铝进行了单条熔道扫描实验，通过三维瞬态热仿真分析熔道的热行为，并结合熔道几何形状，微观结构和微观力学性能验证其仿真准确性。研究发现激光能量密度较低时，凝固熔道主要由柱状枝晶组成，而当激光能量密度较高时，试样中出现沿着熔道中心线分布的等轴枝晶，由于凝固界面处的冷却速率增加，枝晶晶粒的尺寸随着功率下降而减小，固化轨道的显微硬度发现与晶界强化效应有关的晶粒尺寸成反比。QiangChen等[13]通过有限元热仿真氧化铝SLM熔道，评估两种现象对SLM熔道形状的影响：一是激光与粉末的相互作用，二是马兰戈尼(Marangoni)对流效应。研究得到了激光与粉末相互作用关系对激光能量横向散射和材料能量吸收的影响，以及Marangoni效应对表面张力梯度以熔池中的流体动力学状态的影响规律，最终得到了熔道形貌随材料和工艺条件的变化规律。在后续研究中[14]，基于比尔-朗伯定律，结合热力学耦合计算了Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的熔化-凝固路径，得出适用于Al2O3/ZrO2材料的体热源模型，并在此模型基础上进行了变激光工艺参数实验，研究了工艺参数对温度分布，熔池尺寸和晶体成形的影响。图1.3SLM氧化铝-锂辉石试样
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