选区激光熔化TiNi形状记忆合金热—力耦合数值模拟及实验研究

发布时间：2017-04-07 22:21

  本文关键词：选区激光熔化TiNi形状记忆合金热—力耦合数值模拟及实验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术作为一种典型的增材制造技术(Additive Manufacturing,AM),目前已得到了广泛的关注并逐渐应用于工业生产和实际生活中。在SLM成形过程中,粉床局部经历了快速加热/冷却的过程,导致了成形件应力与应变的产生。残余应力与应变严重影响材料的成型性,并降低成形件的尺寸精度和性能。基于以上原因,研究SLM成形过程的温度场和应力场对优化加工工艺、提高成形件性能有着重要意义。本文以ANSYS有限元分析软件为平台,对SLM成形Ti-Ni双组元粉末的热-力耦合场进行了动态模拟。在本文的研究中,采用高斯热源模型实现激光热源的持续移动加载,综合考虑了不同温度条件下的材料热物性参数和相变行为,重点研究了不同激光工艺参数(激光功率和扫描速度)对SLM成形过程温度场热行为和熔池形状的影响。研究发现,粉床的温度随激光功率的增大和扫描速度的减小而增大,熔池尺寸随激光工艺的变化呈现非线性变化。当激光功率为200 W和扫描速度为100 mm/s时,熔池的深度(63μm)和宽度(81μm)较为合适。在温度场研究的基础上,采用间接热-力耦合和材料单元属性变换相结合的方法,进一步研究了激光工艺参数对热应力演变规律和残余应力分布的影响。在选定合适的工艺参数后,分析了同一制件在不同位置的应力变化情况。研究结果表明:热应力随激光热源的移动而不断变化,熔池附近区域呈现出压应力,已成形区域呈现出拉应力。激光加热过程完成后,制件的边缘处残余应力较大。且随着激光功率和扫描速度的均匀增加,残余应力值非线性增加。在数值模拟研究的基础上,进行相应的SLM实验制备TiNi合金试样,观察在不同工艺参数条件下和不同位置处的显微组织形貌,采用显微硬度法测量相应位置处的残余应力值。发现实验测量值与数值模拟结果基本吻合,数值模拟能够在一定程度上预测激光工艺参数对成形件残余应力分布的影响。
【关键词】：选区激光熔化 TiNi合金 热-力耦合场 数值模拟
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG139.6
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 注释表12-13
• 缩略词13-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 引言14
• 1.2 AM工艺的分类及特点14-19
• 1.2.1 激光金属沉积（LMD）15-16
• 1.2.2 选区激光烧结（SLS）16-18
• 1.2.3 选区激光熔化（SLM）18-19
• 1.3 SLM成形工艺特点19-23
• 1.3.1 SLM技术优点19
• 1.3.2 SLM技术工艺关键点19-23
• 1.4 钛镍形状记忆合金材料23
• 1.5 数值模拟方法23-24
• 1.6 SLM技术温度场和应力场研究现状24-25
• 1.7 本课题主要研究内容25-28
• 第二章 SLM过程有限元分析理论基础28-37
• 2.1 温度场数值模拟的基本理论28-33
• 2.1.1 SLM过程温度控制方程28-29
• 2.1.2 热流方程的离散化29-30
• 2.1.3 激光热源模型30-31
• 2.1.4 边界条件与初始条件31-32
• 2.1.5 潜热的处理32-33
• 2.2 应力场数值模拟的基本理论33-35
• 2.2.1 热弹塑性基本理论33
• 2.2.2 屈服准则33-34
• 2.2.3 流动准则34
• 2.2.4 强化准则34-35
• 2.3 热-力耦合分析35
• 2.4 材料参数35-37
• 第三章 SLM过程温度场的数值模拟37-46
• 3.1 温度场有限元模型设置37-38
• 3.1.1 生死单元技术37
• 3.1.2 数学模型建立37-38
• 3.2 温度场结果与分析38-45
• 3.2.1 不同工艺参数下的温度场分布38-41
• 3.2.2 不同工艺参数下的熔池特点41-42
• 3.2.3 不同工艺参数下的热行为特点42-44
• 3.2.4 不同工艺参数下的冷却率特点44-45
• 3.3 本章小结45-46
• 第四章 SLM过程应力场的数值模拟46-66
• 4.1 应力场求解设置46-47
• 4.2 模型的设置47-48
• 4.3 应力场模拟结果与分析48-64
• 4.3.1 激光过程应力应变分析48-50
• 4.3.2 不同激光功率条件下应力场的分布50-54
• 4.3.3 不同扫描速度条件下应力场的分布54-57
• 4.3.4 应力场热行为特点分析57-60
• 4.3.5 应力场分布特点60-62
• 4.3.6 残余应力形成机制62-64
• 4.4 本章小结64-66
• 第五章 SLM成形实验及残余应力测试66-78
• 5.1 SLM实验所用粉末体系66-67
• 5.1.1 粉末体系成分66-67
• 5.1.2 粉末材料制备67
• 5.2 SLM实验过程67-68
• 5.3 残余应力测试与分析68-70
• 5.3.1 显微硬度法测量原理69-70
• 5.3.2 显微硬度测量方法70
• 5.4 实验结果与分析70-76
• 5.4.1 激光功率对成形件致密度的影响70-72
• 5.4.2 激光扫描速度对表面形貌的影响72-73
• 5.4.3 成形件不同部位的显微组织结构73-75
• 5.4.4 应力测试结果与模拟结果的比较75-76
• 5.5 本章小结76-78
• 第六章 结论78-80
• 参考文献80-92
• 致谢92-93
• 攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文93

【参考文献】

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本文编号：291467