层流等离子体金属增材制造成形质量研究
发布时间：2021-09-18 08:42
层流等离子体金属增材制造具有成形速度快、生产成本低、材料利用率高等优点,适合于对精度要求不高的大型部件成形。然而,目前关于层流等离子体金属增材制造的研究还不多,特别是有关工艺对缺陷形成等成形质量的影响还缺乏系统的研究。本文以层流等离子体金属增材制造为研究对象,系统研究了电流、送丝速度、焊丝到熔池距离、氩气流量、搭接率等工艺参数对缺陷形成、表面质量、致密度等成形质量的影响。在此基础上,采用优化的成形工艺制备ER83-G高强钢薄壁凸台件,对样品的成形质量、显微组织及力学性能进行了分析研究,并用ANSYS软件对成形过程的温度场进行了模拟计算。研究结果表明:层流等离子体金属增材制造成形的样品中产生的主要缺陷为未熔合/熔合不良及气孔。未熔合/熔合不良缺陷的形成主要受热输入的影响,当送丝速度较大时,热输入较低,熔融焊丝不能充分填充道间搭接处的凹谷,就会在样品内部产生未熔合。气孔缺陷的最终形成主要受热输入和氩气流量两方面的影响。电流越小,热输入越小,样品内气孔越多;氩气流量的降低会减弱保护作用,导致气孔变多。工艺参数对表面质量和致密度有很大影响。随着电流减小,熔融焊丝不能完全铺展,使得样品表面质量下...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属增材制造部件（a）航空压气机叶轮；（b）航天制导飞控舱体；（c）核电燃料组件下管座；（d）3D打印人体脊髓
东南大学硕士学位论文2自然科学基金委员会在“十三五”学科发展战略规划设想中明确将增材制造技术作为跨学科学部交叉优先领域进行布局，以进一步提升中国增材制造技术的自主创新能力[2]。科技部在2016年、2017年连续两年将增材制造列入国家重点研发计划项目。然而，作为以“叠层制造”和“快速熔化/快速凝固”为核心原理的金属增材制造技术，成形过程中涉及十分复杂的热物理过程和材料非平衡物理冶金，同时发生着“热源/金属（成形材料、成形基体、熔池液体金属等）交互作用”、移动熔池的“超常冶金”、移动熔池在超高温度梯度和强约束条件下的“快速凝固”及逐层堆积三维构件“内部质量演化”、复杂约束长期循环条件下“热应力演化”[3]等复杂过程。随着增材制造的不断发展，相关研究不断进步，应用领域不断扩大。但是在增材制造打印工艺、缺陷控制等方面，仍有很多需要系统深入研究的问题。1.2金属增材制造1.2.1金属增材制造的定义及特点金属增材制造（MetalAdditiveManufacturing）技术，是采用金属材料逐层堆积的方法制造实体零件的技术。相较于车、铣、刨、磨的传统“减材”制造加工方法，是一种自下而上的“增材”制造方法[4]。金属增材制造技术是采用离散/堆积成形的原理，通过离散获得堆积的路径、限制和方式，经过金属材料堆积叠加形成三维实体的一种前沿材料成形技术[5]。其过程为：将产品的三维模型进行分层切片，得到各层的二维轮廓信息，按照这些轮廓，热源选择性沿着轮廓熔化—堆积金属材料，形成各界面并逐步叠加成三维产品，具体过程如图1-2所示。图1-2金属增材制造流程示意图
第一章绪论31.2.2金属增材制造的分类按照制造工艺，金属增材制造主要分为金属粉末床熔融（PowderBedFusion，PBF）和直接能量沉积（DirectEnergyDeposition，DED）。PBF技术的原理是将均匀的粉末层供给到沉积面上，在该沉积平面上引导热源（如激光、电子束、电弧），能量源的能量在沉积面的所有指定位置加热粉末并使其熔融固化/烧结。当该平面完成后，系统将索引到下一个平面并重复该过程。这种情况一直持续到组件完全构建完毕。在PBF技术中，沉积平面固定在x和y轴上，并且只有当构建平面完全完成时才会在z轴上移动。在DED技术中，粉末或丝材与能量源同步地供应到熔池中，该能量源可以是激光、电子束或电唬但与PBF不同，沉积点不固定在x和y轴方向上，因此正在成形的表面和能量源将根据成形设计移动。此外，DED的另一个不同之处在于，部件层的成形几乎可以在任何方向上进行。通常而言，PBF成形精度高，成形时间相对较长，多用于打印小型、精密工件；DED单层堆积厚度大、制造效率高、一般用于打印大型工件，但成形精度相对较低。图1-3不同能量源金属增材制造示意图（a）选区激光熔化[6]；（b）电子束熔丝沉积[7]；（c）等离子增材制造[8]
【参考文献】：
期刊论文
[1]D406A超高强度钢激光-TIG复合填丝焊接气孔特性分析[J]. 杨雨禾,雷正龙,黎炳蔚,陈彦宾,吴军,张黎旭,秦占领. 焊接学报. 2017(12)
[2]脉冲式激光选区熔化成形搭接率的研究[J]. 祁斌,刘玉德,石文天,王硕,杨锦,张飞飞. 激光技术. 2018(03)
[3]Al-6.3CuAC-GTAW电弧增材成形的气孔控制[J]. 从保强,孙红叶,彭鹏,齐铂金,赵罡,丁佳洛. 稀有金属材料与工程. 2017(05)
[4]铝合金激光焊接气孔缺陷形成及抑制机理[J]. 田志骞,马国龙,石业勇,王鹏. 电焊机. 2016(09)
[5]ICP微等离子体射流在快速成形制造中的应用[J]. 张一川,杨宽,李唤,朱晓东. 物理学报. 2016(14)
[6]窄间隙TIG横焊侧壁熔合行为[J]. 王猛,吕晓春,梁晓梅,何实. 焊接学报. 2016(06)
[7]3D打印18Ni300模具钢的显微组织及力学性能[J]. 周隐玉,王飞,薛春. 理化检验(物理分册). 2016(04)
[8]5CrNi4Mo模具钢选区激光熔化增材制造组织演变及力学性能研究[J]. 陈洪宇,顾冬冬,顾荣海,陈文华,戴冬华. 中国激光. 2016(02)
[9]扫描方式对激光选区熔化成形316不锈钢性能的影响[J]. 胡全栋,孙帆,李怀学,巩水利. 航空制造技术. 2016(Z1)
[10]熔焊3D打印技术研究现状及发展趋势[J]. 姜乐涛,白培康,赵娜,刘宇琨. 焊接技术. 2015(04)
博士论文
[1]两种典型金属零部件激光增材制造技术基础比较研究[D]. 马明明.华中科技大学 2016
[2]大型支撑辊工作应力及堆焊层组织与性能研究[D]. 行舒乐.华中科技大学 2013
[3]选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究[D]. 王迪.华南理工大学 2011
[4]智能金属结构熔焊成型技术研究[D]. 徐健宁.南昌大学 2009
[5]40CrNiMoA钢超高周疲劳行为研究[D]. 邵红红.南京理工大学 2007
硕士论文
[1]不锈钢电弧增材制造成形工艺研究及尺寸精度控制[D]. 尹凡.南京理工大学 2017
[2]电子束送丝系统及增材制造工艺研究[D]. 付贝贝.南京理工大学 2017
[3]高强钢热冲压成形中的相变模型及应用研究[D]. 谭方培.哈尔滨工业大学 2016
[4]激光深熔焊接小孔和熔池动态行为的模拟与试验研究[D]. 邓集权.湖南大学 2016
[5]D406A超高强度钢激光-TIG填丝焊接特性研究[D]. 张登明.哈尔滨工业大学 2015
[6]弧放电层流等离子体的金属快速成形制造研究[D]. 王建龙.中国科学技术大学 2015
[7]基于尺寸优化的增材制造支撑结构设计方法研究[D]. 郭胜奎.华中科技大学 2015
[8]铝合金激光立焊焊接特性及气孔问题研究[D]. 吕宏振.哈尔滨工业大学 2006
[9]基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究[D]. 谢元峰.武汉理工大学 2006
本文编号：3399831
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属增材制造部件（a）航空压气机叶轮；（b）航天制导飞控舱体；（c）核电燃料组件下管座；（d）3D打印人体脊髓
东南大学硕士学位论文2自然科学基金委员会在“十三五”学科发展战略规划设想中明确将增材制造技术作为跨学科学部交叉优先领域进行布局，以进一步提升中国增材制造技术的自主创新能力[2]。科技部在2016年、2017年连续两年将增材制造列入国家重点研发计划项目。然而，作为以“叠层制造”和“快速熔化/快速凝固”为核心原理的金属增材制造技术，成形过程中涉及十分复杂的热物理过程和材料非平衡物理冶金，同时发生着“热源/金属（成形材料、成形基体、熔池液体金属等）交互作用”、移动熔池的“超常冶金”、移动熔池在超高温度梯度和强约束条件下的“快速凝固”及逐层堆积三维构件“内部质量演化”、复杂约束长期循环条件下“热应力演化”[3]等复杂过程。随着增材制造的不断发展，相关研究不断进步，应用领域不断扩大。但是在增材制造打印工艺、缺陷控制等方面，仍有很多需要系统深入研究的问题。1.2金属增材制造1.2.1金属增材制造的定义及特点金属增材制造（MetalAdditiveManufacturing）技术，是采用金属材料逐层堆积的方法制造实体零件的技术。相较于车、铣、刨、磨的传统“减材”制造加工方法，是一种自下而上的“增材”制造方法[4]。金属增材制造技术是采用离散/堆积成形的原理，通过离散获得堆积的路径、限制和方式，经过金属材料堆积叠加形成三维实体的一种前沿材料成形技术[5]。其过程为：将产品的三维模型进行分层切片，得到各层的二维轮廓信息，按照这些轮廓，热源选择性沿着轮廓熔化—堆积金属材料，形成各界面并逐步叠加成三维产品，具体过程如图1-2所示。图1-2金属增材制造流程示意图
第一章绪论31.2.2金属增材制造的分类按照制造工艺，金属增材制造主要分为金属粉末床熔融（PowderBedFusion，PBF）和直接能量沉积（DirectEnergyDeposition，DED）。PBF技术的原理是将均匀的粉末层供给到沉积面上，在该沉积平面上引导热源（如激光、电子束、电弧），能量源的能量在沉积面的所有指定位置加热粉末并使其熔融固化/烧结。当该平面完成后，系统将索引到下一个平面并重复该过程。这种情况一直持续到组件完全构建完毕。在PBF技术中，沉积平面固定在x和y轴上，并且只有当构建平面完全完成时才会在z轴上移动。在DED技术中，粉末或丝材与能量源同步地供应到熔池中，该能量源可以是激光、电子束或电唬但与PBF不同，沉积点不固定在x和y轴方向上，因此正在成形的表面和能量源将根据成形设计移动。此外，DED的另一个不同之处在于，部件层的成形几乎可以在任何方向上进行。通常而言，PBF成形精度高，成形时间相对较长，多用于打印小型、精密工件；DED单层堆积厚度大、制造效率高、一般用于打印大型工件，但成形精度相对较低。图1-3不同能量源金属增材制造示意图（a）选区激光熔化[6]；（b）电子束熔丝沉积[7]；（c）等离子增材制造[8]
【参考文献】：
期刊论文
[1]D406A超高强度钢激光-TIG复合填丝焊接气孔特性分析[J]. 杨雨禾,雷正龙,黎炳蔚,陈彦宾,吴军,张黎旭,秦占领. 焊接学报. 2017(12)
[2]脉冲式激光选区熔化成形搭接率的研究[J]. 祁斌,刘玉德,石文天,王硕,杨锦,张飞飞. 激光技术. 2018(03)
[3]Al-6.3CuAC-GTAW电弧增材成形的气孔控制[J]. 从保强,孙红叶,彭鹏,齐铂金,赵罡,丁佳洛. 稀有金属材料与工程. 2017(05)
[4]铝合金激光焊接气孔缺陷形成及抑制机理[J]. 田志骞,马国龙,石业勇,王鹏. 电焊机. 2016(09)
[5]ICP微等离子体射流在快速成形制造中的应用[J]. 张一川,杨宽,李唤,朱晓东. 物理学报. 2016(14)
[6]窄间隙TIG横焊侧壁熔合行为[J]. 王猛,吕晓春,梁晓梅,何实. 焊接学报. 2016(06)
[7]3D打印18Ni300模具钢的显微组织及力学性能[J]. 周隐玉,王飞,薛春. 理化检验(物理分册). 2016(04)
[8]5CrNi4Mo模具钢选区激光熔化增材制造组织演变及力学性能研究[J]. 陈洪宇,顾冬冬,顾荣海,陈文华,戴冬华. 中国激光. 2016(02)
[9]扫描方式对激光选区熔化成形316不锈钢性能的影响[J]. 胡全栋,孙帆,李怀学,巩水利. 航空制造技术. 2016(Z1)
[10]熔焊3D打印技术研究现状及发展趋势[J]. 姜乐涛,白培康,赵娜,刘宇琨. 焊接技术. 2015(04)
博士论文
[1]两种典型金属零部件激光增材制造技术基础比较研究[D]. 马明明.华中科技大学 2016
[2]大型支撑辊工作应力及堆焊层组织与性能研究[D]. 行舒乐.华中科技大学 2013
[3]选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究[D]. 王迪.华南理工大学 2011
[4]智能金属结构熔焊成型技术研究[D]. 徐健宁.南昌大学 2009
[5]40CrNiMoA钢超高周疲劳行为研究[D]. 邵红红.南京理工大学 2007
硕士论文
[1]不锈钢电弧增材制造成形工艺研究及尺寸精度控制[D]. 尹凡.南京理工大学 2017
[2]电子束送丝系统及增材制造工艺研究[D]. 付贝贝.南京理工大学 2017
[3]高强钢热冲压成形中的相变模型及应用研究[D]. 谭方培.哈尔滨工业大学 2016
[4]激光深熔焊接小孔和熔池动态行为的模拟与试验研究[D]. 邓集权.湖南大学 2016
[5]D406A超高强度钢激光-TIG填丝焊接特性研究[D]. 张登明.哈尔滨工业大学 2015
[6]弧放电层流等离子体的金属快速成形制造研究[D]. 王建龙.中国科学技术大学 2015
[7]基于尺寸优化的增材制造支撑结构设计方法研究[D]. 郭胜奎.华中科技大学 2015
[8]铝合金激光立焊焊接特性及气孔问题研究[D]. 吕宏振.哈尔滨工业大学 2006
[9]基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究[D]. 谢元峰.武汉理工大学 2006
本文编号：3399831
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