丝粉同步激光沉积增材制造熔池行为及成形控制研究

发布时间：2020-07-17 05:53

【摘要】：丝粉同步激光沉积是以激光为热源,粉末和丝材同步填入熔池,逐层沉积实现增材制造。其本质是三维激光熔覆,是一种新兴的增材制造技术,该方具有高效、致密度高、增强相调节灵活的优点,适合于金属基复合材料构件的增材制备。WCp/Al作为一种新型的金属基复合材料,由于其优异的力学和物理性能,具有广泛的应用前景。为了解决丝粉同步激光沉积增材制备WCp/Al复合材料构件成形性差及增强体颗粒分布不均匀的问题,本论文通过有限元分析软件ANSYS和FLUENT模拟丝粉同步激光沉积过程的温度场、应力场以及熔池流动行为,在此基础上进行相关的激光沉积成形实验研究。利用ANSYS软件建立了与真实沉积层形貌相近的三维有限元模型,对激光沉积立体成形过程的温度场与应力场进行了数值模拟,并利用后处理模块对结果进行了提取与整合。以模拟结果为依据,对窄墙体和块体两种结构的激光成形过程的温度场和应力场分布情况及动态变化规律进行了研究,通过分析激光功率、扫描速度、层间间隔时间、扫描路径的影响,提出几种成形的调控方法。采用随沉积层数增加的降激光功率,可以抑制熔池温度和熔池尺寸随沉积过程过量增长的情况,有利于成形的稳定性;采用往复扫描方式,相比顺序扫描方式高残余应力区域减小,应力分布更为均匀,残余应力沿扫描路径呈现对称分布,有利于成形构件组织及力学性能的均匀性。建立了丝粉同步激光沉积熔池流动模型。通过计算阐述了熔池内流体的流动机理,熔池熔合线处产生向内旋转的Marangoni涡流;熔池的横截面上形成两个对称的漩涡;熔池径向向外产生两个大小不一的漩涡,其中心前部的涡流较强;上表面的流体由熔池中心流向四周。分析了颗粒粒度及入射速度对增强体颗粒分布的影响,颗粒利用率与颗粒的粒度关系较小,当WC颗粒直径为60μm和80μm时,颗粒在沉积层中的分布相对均匀,为确保增强颗粒在沉积过程中保持微熔或不熔,颗粒粒度不能过小;当颗粒入射速度降低至1.5m/s以下时,沉积层中的颗粒分布较为均匀,不易发生“沉底”现象,在沉积过程中可以通过调节送粉气流量来改变颗粒的注射速度,在一定程度上调节其在沉积层中的分布。基于半导体激光快速成形系统,进行WCp/Al复合材料激光沉积成形实验。通过对比不同激光功率方案下的墙体结构成形情况,发现采用降激光功率的沉积层尺寸较为稳定,没有出现下榻的情况,沉积质量良好,验证了计算模型的合理性。进行了不同搭接率的横向搭接试验,结合理论计算和实际成形得到了较为理想的搭接率27.39%,为多道多层沉积成形块体结构奠定了基础。送粉气大小影响WC的入射速度,WC分布受到WC入射速度的影响。试验发现,随着送粉气的增加,WC下沉现象逐渐明显。送粉气较低时(5L/min和10L/min),WC入射速度较低,获得了WC分布较为理想的沉积层,与模拟分析的结果较为一致。
【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
【图文】：

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文激光金属沉积过程示意图。由于激光熔覆的快速凝有均匀细密的枝晶组织和优良质量，其密度和性件相当，可直接使用或仅需少量精加工即可使用。

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图 1-1 激光金属粉末沉积过程示意图[1]式、送丝式是激光沉积的两种主要材料添加方式（如图 1-2 所示）。积容易实现自动化控制，激光能量吸收率高，但粉的利用率低，易造送丝式激光沉积制备的表面层致密度好，丝材利用率高，成本低，制较高的厚度。

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图 1-3 丝粉同步激光沉积示意图[2]积技术在制备梯度复合材料层方面也具年研究了采用不同添材方式的组合制备梯方式：第一组为 Ni 焊丝和 Cu 粉，第二合时，丝材熔化使得熔池具有较高的温度

【参考文献】