激光选区熔化铜纳米粉温度场仿真及减摩微织构制造研究

发布时间：2020-04-02 03:45

【摘要】：摩擦磨损一直是机械工程领域的研究重点,减小摩擦副表面的摩擦系数具有提高机械系统的稳定性、节约能源等重要的意义。现有的研究表明,特殊的微织构能够减小摩擦副表面的摩擦系数。但是现有的加工工艺在制备微米尺寸的微织构时,成本相对较高且灵活性较差,难以满足多尺度表面微织构的制备需求。故本文提出激光选区熔化铜纳米粉增材制造方法制备表面微织构,并从以下几个方面进行系统的研究,主要总结如下:1.利用解析模型与数值仿真研究激光作用铜纳米粉层的热学特性。根据辐射传输方程,建立了激光作用铜纳米粉层的辐射传输等效模型,并利用Two-Flux方法进行求解得到了激光束作用铜纳米粉层的能量分布情况。在此基础上建立了纳米粉层吸收激光诱导的体热源模型,通过解析求解分析了铜纳米粉层特性参数(粉层厚度、消光系数)对体热源分布轮廓的影响与规律。建立了激光作用铜粉层的温度场有限元模型,通过温度场仿真预测了激光单道扫描轨迹的宽度。结果表明,给定激光功率范围内,单道宽度随激光功率的增大呈线性增加,扫描速度对单道宽度的影响相对较小。2.配置铜纳米粉分散液,利用自行搭建的试验平台开展激光选区熔化铜纳米粉的单道扫描、单层扫描及多层扫描试验研究。确定了稳定单道烧结和高质量平面烧结的工艺参数范围,并分别分析了单道扫描轨迹与烧结表面的缺陷形式及其产生原因。通过多层扫描试验获得了铜层厚度和表面质量与扫描层数的关系。结果表明,在合理试验范围内,单道宽度随激光功率的增大呈线性增加,验证了仿真分析的正确性,工艺参数对单道高度的影响较小;扫描间距对烧结表面质量的影响较大;稳定多层烧结的最大厚度约为30μm。3.仿真分析了表面微织构对摩擦副间润滑液膜的增压特性,根据仿真结果利用激光选区熔化铜纳米粉工艺制备了深宽比为0.2的方形微织构表面。开展了摩擦性能试验,探究了工况条件、微织构的尺寸和间距对微织构减摩性能的影响。结果表明,尺寸为100μm×100μm、间距为200μm、深宽比为0.2的方形凸起微织构表面在载荷为20N、相对运动速度为220mm/s工况条件下的减摩性能最好,与无微织构摩擦副表面相比,摩擦系数降低了49%。
【图文】：

铜粉,能量衰减,激光

3.1 铜粉层特性参数对能量分布的影响由 2.1 分析可知，粉层的光学厚度 L对激光作用粉层的辐射传输过重要的影响，故本小节分析激光作用铜粉层的无量纲能量密度在不同光学条件下的变化规律。对于的铜纳米粉层，能量密度 q 可以简化为2 13(1 1 ) 3(1 )( )(4 3) e(4 3) e q (2本文选定激光波长为 1070nm，在此波长下，铜颗粒的反照率 0据式(2-50)可作厚粉层中无量纲能量密度 q 随着铜粉层的无量纲深度的曲线图如图 2-5 a)所示。对于薄粉层，由式(2-49)可作不同光学厚度条件量纲能量密度 q 随深度的变化曲线如图 2-5 b)所示。由图的曲线可知，激用的厚粉层时，能量密度 q 随着深度的增加显著衰减，可穿透的深度约为 =8。且在 2区域，q 的衰减速度较快，与深度几乎呈线性关系 2区域，q 的衰减速度逐渐减小。

烧结铜,工艺参数,宽度,单道

提取仿真结果中温度大于 1434K 的区域进行讨论，其形状如图 2-8 b所示。由图 2-8 b)可知，此工艺参数条件下，铜纳米颗粒的熔池穿透整个铜纳米粉层的厚度方向并且与烧结基底产生交叠。由于 304 不锈钢的熔点与铜纳米颗粒相接近，可认为此时基底局部也被熔化。因此，熔融状态的金属铜冷却凝固后将固定在基底上实现金属铜的烧结成型。而熔池与基底交叠区域的宽度为20μm，因此可预测激光功率为 10W、扫描速度为 20mm/s 条件下激光单道扫描烧结的铜线宽度约为 20μm。由上述仿真结果可知，铜粉层熔化区域的尺寸受激光功率和扫描速度的影响。当激光功率过小、扫描速度过大时，铜纳米粉层的熔化区域不能贯穿粉层的深度方向，，此时熔融状态的铜凝固后不能固定在基底上。通过熔池与基底交叠区域的尺寸可预测激光单道扫描烧结的铜线轨迹的宽度。为了探究激光功率和扫描速度对单道烧结轨迹的宽度的影响规律，归纳仿真结果，作扫描速度为 20mm/s 时预测单道宽度与激光功率关系曲线和激光功率为 10W 时预测单道宽度与扫描速度的关系曲线如图 2-9 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665

【参考文献】