激光增材制造Inconel 718合金熔池形貌及凝固参数分析
发布时间：2022-04-28 23:21
激光增材制造技术,又称“3D打印”,是目前最具潜力的先进制造技术之一,因其独特的“分层制造,逐层叠加”的加工方式,尤其适用于复杂结构零件的直接成形与再制造,在航空航天、船舶、生物医疗等领域具有广泛应用前景。然而,由于激光增材制造涉及的物理过程复杂、影响因素众多,要制造出高精度、组织及性能优异的成形件仍存在极大的挑战。目前,尚存在成形缺陷多、凝固组织可控性差等问题,而这些问题均与熔池表面及内部的动态特征密切相关。针对上述问题,本文以Inconel 718镍基高温合金为研究对象,通过分析与简化激光增材制造过程中光粉耦合、传热传质等过程,建立和完善三维瞬态激光增材制造数值模型,探究不同工艺参数对气液界面、温度参数及凝固特征参数（温度梯度G、凝固速率R、冷却速率G×R）的影响规律及机理,指导工艺优化,为零件制造提供依据和理论基础。具体研究内容及结果如下:（1）分析了气液界面受力情况,研究了各力对气液界面影响程度,并建立了自由表面能控制平衡方程。结果表明:平衡状态下,表面张力是形成气液界面形貌的主要作用力;模拟了气液界面演化过程,模拟的熔覆层表面形貌及尺寸参数与实验结果相吻合,验证了本文数值模型...
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号表
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 研究背景及意义
1.2.1 激光增材制造技术
1.2.2 激光增材制造数值模拟
1.3 激光增材制造数值模拟研究现状
1.3.1 光粉耦合研究现状
1.3.2 熔池行为研究现状
1.4 激光增材制造Inconel 718镍基高温合金研究现状
1.5 论文研究内容
第2章 实验系统及数值模拟
2.1 实验系统
2.1.1 送粉式激光增材制造系统
2.1.2 熔覆层形貌及微观组织观测装置
2.2 实验材料及实验设计
2.3 数值模拟模型
2.3.1 Level Set方法
2.3.2 光粉耦合模型
2.3.3 传热方程
2.3.4 熔池动量守恒方程
2.3.5 熔池界面控制方程
2.4 数值求解方法
2.5 本章小结
第3章 镍基高温合金增材制造熔池形貌
3.1 引言
3.2 工艺参数与横截面几何特征关系
3.2.1 成形尺寸随激光功率变化规律
3.2.2 成形尺寸随扫描速度变化规律
3.2.3 成形尺寸随送粉速率变化规律
3.2.4 成形尺寸随相同线能量密度变化规律
3.3 激光增材制造工艺窗口优化
3.4 模拟熔池形貌分析
3.4.1 熔池演变过程分析
3.4.2 模拟沉积层形貌分析
3.5 本章小结
第4章 镍基高温合金增材制造凝固参数分析
4.1 引言
4.2 熔池凝固界面分析
4.2.1 熔池凝固界面温度参数分析
4.2.2 熔池凝固界面凝固特征参数分析
4.3 工艺参数对凝固特征参数的影响
4.3.1 激光功率对凝固特征参数的影响
4.3.2 扫描速度对凝固特征参数的影响
4.3.3 相同线能量密度下凝固特征参数变化规律
4.3.4 送粉速率对凝固特征参数的影响
4.4 本章小结
总结与展望
全文结论
工作展望
参考文献
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光增材制造金属零件内应力调控研究现状[J]. 李少海,李昭青. 特种铸造及有色合金. 2018(02)
[2]高性能钛合金激光增材制造技术的研究进展[J]. 梁朝阳,张安峰,梁少端,王潭,严深平,张连重,李青宇. 应用激光. 2017(03)
[3]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)
[4]美国国家航空和宇宙航行局完成增材制造的火箭发动机喷嘴试验[J]. 萧玉麟. 粉末冶金技术. 2015(04)
[5]光纤激光相干阵列远场光强分布的影响分析[J]. 王炜,何兵,周军,楼祺洪,刘侠,张芳沛,赵宏明,许辉. 光学学报. 2009(08)
[6]ANSYS在激光熔覆成形温度场数值模拟中的应用[J]. 郭华锋,熊永超,李志,周建忠,徐大鹏. 工具技术. 2009(05)
[7]Boundary coupled dual-equation numerical simulation on mass transfer in the process of laser cladding[J]. 黄延禄,杨永强,卫国强,师文庆,李毅斌. Chinese Optics Letters. 2008(05)
[8]金属材料激光表面改性与高性能金属零件激光快速成形技术研究进展[J]. 王华明. 航空学报. 2002(05)
硕士论文
[1]增材制造技术原理及其在建筑行业的应用研究[D]. 戴朋.江苏大学 2016
[2]激光熔覆的温度及应力分析和数值模拟[D]. 楼凤娟.浙江工业大学 2009
本文编号：3649736
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号表
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 研究背景及意义
1.2.1 激光增材制造技术
1.2.2 激光增材制造数值模拟
1.3 激光增材制造数值模拟研究现状
1.3.1 光粉耦合研究现状
1.3.2 熔池行为研究现状
1.4 激光增材制造Inconel 718镍基高温合金研究现状
1.5 论文研究内容
第2章 实验系统及数值模拟
2.1 实验系统
2.1.1 送粉式激光增材制造系统
2.1.2 熔覆层形貌及微观组织观测装置
2.2 实验材料及实验设计
2.3 数值模拟模型
2.3.1 Level Set方法
2.3.2 光粉耦合模型
2.3.3 传热方程
2.3.4 熔池动量守恒方程
2.3.5 熔池界面控制方程
2.4 数值求解方法
2.5 本章小结
第3章 镍基高温合金增材制造熔池形貌
3.1 引言
3.2 工艺参数与横截面几何特征关系
3.2.1 成形尺寸随激光功率变化规律
3.2.2 成形尺寸随扫描速度变化规律
3.2.3 成形尺寸随送粉速率变化规律
3.2.4 成形尺寸随相同线能量密度变化规律
3.3 激光增材制造工艺窗口优化
3.4 模拟熔池形貌分析
3.4.1 熔池演变过程分析
3.4.2 模拟沉积层形貌分析
3.5 本章小结
第4章 镍基高温合金增材制造凝固参数分析
4.1 引言
4.2 熔池凝固界面分析
4.2.1 熔池凝固界面温度参数分析
4.2.2 熔池凝固界面凝固特征参数分析
4.3 工艺参数对凝固特征参数的影响
4.3.1 激光功率对凝固特征参数的影响
4.3.2 扫描速度对凝固特征参数的影响
4.3.3 相同线能量密度下凝固特征参数变化规律
4.3.4 送粉速率对凝固特征参数的影响
4.4 本章小结
总结与展望
全文结论
工作展望
参考文献
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光增材制造金属零件内应力调控研究现状[J]. 李少海,李昭青. 特种铸造及有色合金. 2018(02)
[2]高性能钛合金激光增材制造技术的研究进展[J]. 梁朝阳,张安峰,梁少端,王潭,严深平,张连重,李青宇. 应用激光. 2017(03)
[3]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)
[4]美国国家航空和宇宙航行局完成增材制造的火箭发动机喷嘴试验[J]. 萧玉麟. 粉末冶金技术. 2015(04)
[5]光纤激光相干阵列远场光强分布的影响分析[J]. 王炜,何兵,周军,楼祺洪,刘侠,张芳沛,赵宏明,许辉. 光学学报. 2009(08)
[6]ANSYS在激光熔覆成形温度场数值模拟中的应用[J]. 郭华锋,熊永超,李志,周建忠,徐大鹏. 工具技术. 2009(05)
[7]Boundary coupled dual-equation numerical simulation on mass transfer in the process of laser cladding[J]. 黄延禄,杨永强,卫国强,师文庆,李毅斌. Chinese Optics Letters. 2008(05)
[8]金属材料激光表面改性与高性能金属零件激光快速成形技术研究进展[J]. 王华明. 航空学报. 2002(05)
硕士论文
[1]增材制造技术原理及其在建筑行业的应用研究[D]. 戴朋.江苏大学 2016
[2]激光熔覆的温度及应力分析和数值模拟[D]. 楼凤娟.浙江工业大学 2009
本文编号：3649736
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/3649736.html
