激光熔化沉积12CrNi2合金钢热力耦合数值模拟研究
发布时间：2021-08-08 21:52
激光熔化沉积（Laser Melting Deposition,LMD）技术是一种新型的激光增材制造（Laser Additive Manufacturing,LAM）技术,具有十分广阔的应用前景。然而,LMD成形是一个局部快速加热并冷却的非稳态过程,其引起的温度场和应力场极其复杂,容易导致部件产生较大残余应力和裂纹等缺陷。基于此,本文以核电应急柴油机凸轮轴用12CrNi2合金钢材料为研究对象,采用数值模拟和实验相结合的方法,使用ANSYS的参数化设计语言（ANSYS Parametric Design Language,APDL）编写 了移动热源程序,并利用单元生死技术实现了金属粉末的同步添加过程,建立了LMD过程温度场、应力场有限元分析模型,重点研究了不同工艺参数（打印方式、激光功率、打印速度、预热温度）下LMD过程温度场及应力场分布规律,对解决高性能合金钢构件激光增材制造控形控性这一关键科学问题具有重要指导意义。本文主要研究内容和结论如下:（1）开展了 12CrNi2合金钢LMD实验研究,获得较优的工艺参数,并对沉积层的宏观和微观形貌进行了观察分析。研究发现,较优的工艺参数为激光...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１?ＬＭＤ过程中粉末与激光相互作用示意图［２３］??Ｆｉｇ．２－１?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐｏｗｄｅｒ?ａｎｄ?ｌａｓｅｒ?ｉｎ?ＬＭＤ?ｐｒｏｃｅｓｓ??
?北京化工大学硕士学位论文???图２－２表示激光高斯辐射分布图，在某一激光功率下，随着粉末送粉速率的增加，??粉末流平均温度的会降低，激光能量逐渐衰减。由图可知激光功率衰减很明显，在激??光束中心，衰减后的激光功率与原始激光功率之比是最低的，这表明更多的能量被距??离激光束中心最近的粉末吸收，甚至在金属粉末下落过程中就发生了熔化［２３，７４，７５］。作??者在本文所采用送粉速率为ｌｌｇ／ｍｉｍ以图２－２中的数据为参考，确定穿过粉末到达??基板表面的能量约占激光总输入能量的０．７５￣０．７８。??０．９???——???????｜?６ｇｒ／ｍｍ???一－一＇??０．８５?一??｜?Ｚ＾??－０．８?－?＿???？?一－－?—??３?１０?ｇｒ／ｔｒＵｎ?，１??Ｓ?一一，??２〇．７Ｓ?—?一一??〇??ｔｃ??０?０．１?０．２?０．３?０．４?０．５?０．６?０．７??Ｒａｄｉａｌ?Ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｔｏ?Ｌａｓｅｒ?Ｂｅａｍ?Ｃｅｎｔｅｒ?（ｍｍ）??图２－２高斯辐射分布图Ｍ??Ｆｉｇ．２－２?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ａ?Ｇａｕｓｓｉａｎ?ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ??２．１．２激光与基板的相互作用??由上一节的讨论可知，穿过粉末流到达基板表面的能量＆约占激光总能量的??０．７５￣０．７８，但是这一部分能量也没有全部被沉积过程所吸收。４５号钢金属基板表面对??激光有一定的反射作用，一般在建模过程中通过引入一个激光表面耦合系数或者特征??吸收率（吸收系数）来近似计算熔池区域所吸收的激光功率。耦合系数范围在０．１５??到０．５之间，它取决于所使用的激光类
?第二章激光熔化沉积有限元分析理论???２．４激光熔化沉积有限元计算模型??２．４．１热源模型??ＬＭＤ过程中，位于光斑范围内的金属材料被激光束加热熔化，激光束的能量密??度服从高斯分布，最大的能量密度位于光斑中心处，激光能量密度随着远离光斑中心??而持续衰减，故激光热源模型选择与此相符的高斯面热源，如图２－４所示。??Ａ??％??图２－４高斯热源模型示意图??Ｆｉｇ．２－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｇａｕｓｓｉａｎ?ｈｅａｔ?ｓｏｕｒｃｅ?ｍｏｄｅｌ??高斯热源模型数学表达式为：??３ｒｉＰ?３ｒ２??＾ｒ（ｒ）?＝?－＾ｅｘｐ（－—）?（２－２４）??ｎＫ?ｋ??式中，以ｒ）——激光热流密度，Ｗ／ｍ２；??Ｒ?激光光斑半径，ｍ；??ｒｊ——激光能量吸收率；??Ｐ——激光功率，Ｗ；??ｒ—计算点到热源中心的距离，ｍ。??２．４．２相变潜热??在ＬＭＤ过程中，存在固相一液相一固相的转变，期间材料会不断吸收或者释放??大量的热量称之为相变潜热。因此，在建立有限元模型时必须考虑相变潜热的问题。??ＡＮＳＹＳ处理潜热的方法为热焓法，即采用随温度变化的热焓法来定义潜热，其表达??式为：??１９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]成形路径对金属激光立体成形过程热及应力影响的有限元分析[J]. 刘婷,杨海欧,王波,马良. 铸造技术. 2018(07)
[2]电磁搅拌辅助Ni45合金的激光增材制造[J]. 于群,王存山. 中国激光. 2018(04)
[3]金属构件选区激光熔化增材制造控形与控性的跨尺度物理学机制[J]. 顾冬冬,戴冬华,夏木建,马成龙. 南京航空航天大学学报. 2017(05)
[4]金属激光增材制造过程数值模拟[J]. 魏雷,林鑫,王猛,马良,黄卫东,侯运安. 航空制造技术. 2017(13)
[5]高性能金属零件激光增材制造技术研究进展[J]. 张安峰,李涤尘,梁少端,王潭,严深平,张连重. 航空制造技术. 2016(22)
[6]拓扑优化中采用增材制造填充构件的结构屈曲荷载提升设计[J]. Anders Clausen,Niels Aage,Ole Sigmund. Engineering. 2016(02)
[7]增材制造技术在航空装备深化应用中的研究[J]. 苏亚东,吴斌,王向明. 航空制造技术. 2016(12)
[8]材料3D打印技术的研究进展[J]. 黄卫东. 新型工业化. 2016(03)
[9]高性能金属构件的激光增材制造[J]. 林鑫,黄卫东. 中国科学:信息科学. 2015(09)
[10]应用于航空领域的金属高性能增材制造技术[J]. 林鑫,黄卫东. 中国材料进展. 2015(09)
硕士论文
[1]丝粉同步激光沉积增材制造熔池行为及成形控制研究[D]. 刘晗.哈尔滨工业大学 2018
[2]TC4钛合金表面纳米颗粒增强的钛铝激光熔覆涂层制备及仿真研究[D]. 陈竹.南京航空航天大学 2016
[3]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[D]. 何贝贝.南京航空航天大学 2016
[4]激光沉积制造应力演化及其控制[D]. 周佳平.沈阳航空航天大学 2016
[5]激光熔覆熔池温度场和流场的数值模拟[D]. 赵海玲.燕山大学 2013
[6]钛合金激光沉积成形过程热行为的研究[D]. 王兴良.沈阳航空航天大学 2011
本文编号：3330741
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１?ＬＭＤ过程中粉末与激光相互作用示意图［２３］??Ｆｉｇ．２－１?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐｏｗｄｅｒ?ａｎｄ?ｌａｓｅｒ?ｉｎ?ＬＭＤ?ｐｒｏｃｅｓｓ??
?北京化工大学硕士学位论文???图２－２表示激光高斯辐射分布图，在某一激光功率下，随着粉末送粉速率的增加，??粉末流平均温度的会降低，激光能量逐渐衰减。由图可知激光功率衰减很明显，在激??光束中心，衰减后的激光功率与原始激光功率之比是最低的，这表明更多的能量被距??离激光束中心最近的粉末吸收，甚至在金属粉末下落过程中就发生了熔化［２３，７４，７５］。作??者在本文所采用送粉速率为ｌｌｇ／ｍｉｍ以图２－２中的数据为参考，确定穿过粉末到达??基板表面的能量约占激光总输入能量的０．７５￣０．７８。??０．９???——???????｜?６ｇｒ／ｍｍ???一－一＇??０．８５?一??｜?Ｚ＾??－０．８?－?＿???？?一－－?—??３?１０?ｇｒ／ｔｒＵｎ?，１??Ｓ?一一，??２〇．７Ｓ?—?一一??〇??ｔｃ??０?０．１?０．２?０．３?０．４?０．５?０．６?０．７??Ｒａｄｉａｌ?Ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｔｏ?Ｌａｓｅｒ?Ｂｅａｍ?Ｃｅｎｔｅｒ?（ｍｍ）??图２－２高斯辐射分布图Ｍ??Ｆｉｇ．２－２?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ａ?Ｇａｕｓｓｉａｎ?ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ??２．１．２激光与基板的相互作用??由上一节的讨论可知，穿过粉末流到达基板表面的能量＆约占激光总能量的??０．７５￣０．７８，但是这一部分能量也没有全部被沉积过程所吸收。４５号钢金属基板表面对??激光有一定的反射作用，一般在建模过程中通过引入一个激光表面耦合系数或者特征??吸收率（吸收系数）来近似计算熔池区域所吸收的激光功率。耦合系数范围在０．１５??到０．５之间，它取决于所使用的激光类
?第二章激光熔化沉积有限元分析理论???２．４激光熔化沉积有限元计算模型??２．４．１热源模型??ＬＭＤ过程中，位于光斑范围内的金属材料被激光束加热熔化，激光束的能量密??度服从高斯分布，最大的能量密度位于光斑中心处，激光能量密度随着远离光斑中心??而持续衰减，故激光热源模型选择与此相符的高斯面热源，如图２－４所示。??Ａ??％??图２－４高斯热源模型示意图??Ｆｉｇ．２－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｇａｕｓｓｉａｎ?ｈｅａｔ?ｓｏｕｒｃｅ?ｍｏｄｅｌ??高斯热源模型数学表达式为：??３ｒｉＰ?３ｒ２??＾ｒ（ｒ）?＝?－＾ｅｘｐ（－—）?（２－２４）??ｎＫ?ｋ??式中，以ｒ）——激光热流密度，Ｗ／ｍ２；??Ｒ?激光光斑半径，ｍ；??ｒｊ——激光能量吸收率；??Ｐ——激光功率，Ｗ；??ｒ—计算点到热源中心的距离，ｍ。??２．４．２相变潜热??在ＬＭＤ过程中，存在固相一液相一固相的转变，期间材料会不断吸收或者释放??大量的热量称之为相变潜热。因此，在建立有限元模型时必须考虑相变潜热的问题。??ＡＮＳＹＳ处理潜热的方法为热焓法，即采用随温度变化的热焓法来定义潜热，其表达??式为：??１９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]成形路径对金属激光立体成形过程热及应力影响的有限元分析[J]. 刘婷,杨海欧,王波,马良. 铸造技术. 2018(07)
[2]电磁搅拌辅助Ni45合金的激光增材制造[J]. 于群,王存山. 中国激光. 2018(04)
[3]金属构件选区激光熔化增材制造控形与控性的跨尺度物理学机制[J]. 顾冬冬,戴冬华,夏木建,马成龙. 南京航空航天大学学报. 2017(05)
[4]金属激光增材制造过程数值模拟[J]. 魏雷,林鑫,王猛,马良,黄卫东,侯运安. 航空制造技术. 2017(13)
[5]高性能金属零件激光增材制造技术研究进展[J]. 张安峰,李涤尘,梁少端,王潭,严深平,张连重. 航空制造技术. 2016(22)
[6]拓扑优化中采用增材制造填充构件的结构屈曲荷载提升设计[J]. Anders Clausen,Niels Aage,Ole Sigmund. Engineering. 2016(02)
[7]增材制造技术在航空装备深化应用中的研究[J]. 苏亚东,吴斌,王向明. 航空制造技术. 2016(12)
[8]材料3D打印技术的研究进展[J]. 黄卫东. 新型工业化. 2016(03)
[9]高性能金属构件的激光增材制造[J]. 林鑫,黄卫东. 中国科学:信息科学. 2015(09)
[10]应用于航空领域的金属高性能增材制造技术[J]. 林鑫,黄卫东. 中国材料进展. 2015(09)
硕士论文
[1]丝粉同步激光沉积增材制造熔池行为及成形控制研究[D]. 刘晗.哈尔滨工业大学 2018
[2]TC4钛合金表面纳米颗粒增强的钛铝激光熔覆涂层制备及仿真研究[D]. 陈竹.南京航空航天大学 2016
[3]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[D]. 何贝贝.南京航空航天大学 2016
[4]激光沉积制造应力演化及其控制[D]. 周佳平.沈阳航空航天大学 2016
[5]激光熔覆熔池温度场和流场的数值模拟[D]. 赵海玲.燕山大学 2013
[6]钛合金激光沉积成形过程热行为的研究[D]. 王兴良.沈阳航空航天大学 2011
本文编号：3330741
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