熔覆增材IN718合金析出相分布特征及其局域力学性能研究
发布时间：2024-05-27 05:10
熔覆增材制造是在传统微熔与铸焊基础上,使用聚焦的热能熔化金属材料并依据零部件三维模型逐层熔覆制造的过程,包含了“体积增材”和“表面增材”。目前,控制熔覆件内部组织质量和保证力学性能是发展和应用该技术的关键。熔覆体积各区域热历程的不同会产生差异化的微观组织,并具有组织和力学性能不均的本质特征。为分析熔覆增材样件的微观组织和力学性能,对送丝式电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)、送粉式激光增材制造(Powder and Laser Additive Manufacturing,PLAM)两种基础工艺过程展开研究。设计搭建了开源低成本WAAM工艺试验系统,通过基础工艺试验从成形性、微观组织和力学性能角度评估了其应用潜力。在正交试验的基础上,应用体积能量近似法确定了WAAM和PLAM熔覆工艺的试验参数,制备出多层多道IN718增材样块。结果表明,在熔覆中实施强制冷却能够高效的制造形状复杂且无宏观缺陷的金属薄壁件,总输入能量的合理分配是控制熔覆道是否塌陷的关键。高材料利用率是WAAM工艺比PLAM工艺更为高效的主要原因。在Abaqus软...
【文章页数】：213 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 增材制造技术概述
1.3 熔覆增材制造技术及国内外研究现状
1.3.1 熔覆增材制造技术及研究现状
1.3.2 电弧熔覆增材制造技术
1.3.3 激光熔覆增材制造技术
1.3.4 熔覆增材工艺模拟技术
1.4 IN718合金及其熔覆增材组织与力学性能
1.4.1 IN718合金的发展历史及用途
1.4.2 IN718合金的微观组织结构及凝固特点
1.4.3 IN718合金的熔覆增材组织及性能
1.5 本文的主要研究内容
第2章 熔覆增材制造工艺基础试验研究
2.1 引言
2.2 熔覆增材坐标系及试验系统
2.2.1 增材坐标系及方向规定
2.2.2 送粉式激光增材(PLAM)商业试验系统
2.2.3 送丝式电弧增材(WAAM)开源试验系统搭建
2.3 开源WAAM试验系统增材试验与评价
2.3.1 试验材料与方法
2.3.2 试验结果与讨论
2.4 IN718合金WAAM和PLAM样块熔覆增材试验
2.4.1 熔覆试验材料
2.4.2 工艺参数选择
2.4.3 多层多道样块增材制备
2.5 本章小结
第3章 熔覆增材热历程有限元模拟及验证
3.1 引言
3.2 熔覆增材制造基础工艺的Python脚本建模
3.2.1 总体建模与验证方案
3.2.2 代表性体积单元(RVE)增材及熔覆搭接区建模
3.2.3 模型网格划分与组装
3.2.4 材料热物性参数
3.2.5 热源模型及其移动方式
3.2.6 熔覆层动态热边界条件
3.3 多层多道熔覆增材温度场模拟及验证
3.3.1 3L 3P20B块体温度场模型
3.3.2 网格密度敏感性分析
3.3.3 温度场验证方法
3.3.4 模拟与测温结果比较
3.4 本章小结
第4章 IN718合金熔覆增材微观组织及宏观力学性能
4.1 引言
4.2 多层多道IN718合金熔覆增材组织特征
4.2.1 样品及表征实验
4.2.2 多层多道样块试样横截面组织形貌
4.2.3 不同宏观区域的微观组织特征
4.2.4 WAAM与PLAM熔覆组织偏析及碳化物
4.3 熔覆态试样宏观微拉伸性能及断口分析
4.3.1 拉伸测试
4.3.2 微拉伸性能
4.3.3 断口分析
4.4 本章小结
第5章 IN718合金多层多道熔覆增材析出相演变
5.1 引言
5.2 固态相变动力学模型理论基础
5.2.1 JMAK整体转变动力学模型
5.2.2 同步转变动力学
5.2.3 增材热历程数据处理
5.3 IN718合金熔覆增材析出相演变预测
5.3.1 热力学数据
5.3.2 计算流程及节点热历程分段精度比较
5.3.3 多层多道熔覆样块试样信息
5.3.4 多层多道IN718合金增材样块析出相面分布
5.4 多层多道IN718合金增材样块析出相分布验证
5.4.1 横截面显微硬度分布
5.4.2 微观组织SEM表征及纳米析出相量化方法
5.4.3 样品准备及实验过程
5.4.4 SEM图像表征结果与讨论
5.4.5 各区域γ'/γ''相图像量化与结果比较
5.5 本章小结
第6章 IN718合金熔覆增材样块局域弹塑性力学性能
6.1 引言
6.2 微尺度局域塑性力学性能反演分析方法
6.2.1 总体表征及反演分析方法
6.2.2 纳米压痕理论方法
6.3 纳米压痕实验及其有限元建模
6.3.1 仪器及实验过程
6.3.2 压痕实验结果及分析
6.3.3 纳米压痕有限元建模
6.4 粒子群算法寻优
6.4.1 算法基础理论与流程
6.4.2 纳米压痕-FEM-PSO联合计算框架
6.4.3 算法参数及设置
6.5 多层多道IN718合金熔覆增材样块局域塑性性能
6.5.1 纳米压痕-FEM-PSO算例实验
6.5.2 WAAM顶部T试样算例结果及讨论
6.5.3 结果验证及增材样块局域塑性性能
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
致谢
本文编号：3982813
【文章页数】：213 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 增材制造技术概述
1.3 熔覆增材制造技术及国内外研究现状
1.3.1 熔覆增材制造技术及研究现状
1.3.2 电弧熔覆增材制造技术
1.3.3 激光熔覆增材制造技术
1.3.4 熔覆增材工艺模拟技术
1.4 IN718合金及其熔覆增材组织与力学性能
1.4.1 IN718合金的发展历史及用途
1.4.2 IN718合金的微观组织结构及凝固特点
1.4.3 IN718合金的熔覆增材组织及性能
1.5 本文的主要研究内容
第2章 熔覆增材制造工艺基础试验研究
2.1 引言
2.2 熔覆增材坐标系及试验系统
2.2.1 增材坐标系及方向规定
2.2.2 送粉式激光增材(PLAM)商业试验系统
2.2.3 送丝式电弧增材(WAAM)开源试验系统搭建
2.3 开源WAAM试验系统增材试验与评价
2.3.1 试验材料与方法
2.3.2 试验结果与讨论
2.4 IN718合金WAAM和PLAM样块熔覆增材试验
2.4.1 熔覆试验材料
2.4.2 工艺参数选择
2.4.3 多层多道样块增材制备
2.5 本章小结
第3章 熔覆增材热历程有限元模拟及验证
3.1 引言
3.2 熔覆增材制造基础工艺的Python脚本建模
3.2.1 总体建模与验证方案
3.2.2 代表性体积单元(RVE)增材及熔覆搭接区建模
3.2.3 模型网格划分与组装
3.2.4 材料热物性参数
3.2.5 热源模型及其移动方式
3.2.6 熔覆层动态热边界条件
3.3 多层多道熔覆增材温度场模拟及验证
3.3.1 3L 3P20B块体温度场模型
3.3.2 网格密度敏感性分析
3.3.3 温度场验证方法
3.3.4 模拟与测温结果比较
3.4 本章小结
第4章 IN718合金熔覆增材微观组织及宏观力学性能
4.1 引言
4.2 多层多道IN718合金熔覆增材组织特征
4.2.1 样品及表征实验
4.2.2 多层多道样块试样横截面组织形貌
4.2.3 不同宏观区域的微观组织特征
4.2.4 WAAM与PLAM熔覆组织偏析及碳化物
4.3 熔覆态试样宏观微拉伸性能及断口分析
4.3.1 拉伸测试
4.3.2 微拉伸性能
4.3.3 断口分析
4.4 本章小结
第5章 IN718合金多层多道熔覆增材析出相演变
5.1 引言
5.2 固态相变动力学模型理论基础
5.2.1 JMAK整体转变动力学模型
5.2.2 同步转变动力学
5.2.3 增材热历程数据处理
5.3 IN718合金熔覆增材析出相演变预测
5.3.1 热力学数据
5.3.2 计算流程及节点热历程分段精度比较
5.3.3 多层多道熔覆样块试样信息
5.3.4 多层多道IN718合金增材样块析出相面分布
5.4 多层多道IN718合金增材样块析出相分布验证
5.4.1 横截面显微硬度分布
5.4.2 微观组织SEM表征及纳米析出相量化方法
5.4.3 样品准备及实验过程
5.4.4 SEM图像表征结果与讨论
5.4.5 各区域γ'/γ''相图像量化与结果比较
5.5 本章小结
第6章 IN718合金熔覆增材样块局域弹塑性力学性能
6.1 引言
6.2 微尺度局域塑性力学性能反演分析方法
6.2.1 总体表征及反演分析方法
6.2.2 纳米压痕理论方法
6.3 纳米压痕实验及其有限元建模
6.3.1 仪器及实验过程
6.3.2 压痕实验结果及分析
6.3.3 纳米压痕有限元建模
6.4 粒子群算法寻优
6.4.1 算法基础理论与流程
6.4.2 纳米压痕-FEM-PSO联合计算框架
6.4.3 算法参数及设置
6.5 多层多道IN718合金熔覆增材样块局域塑性性能
6.5.1 纳米压痕-FEM-PSO算例实验
6.5.2 WAAM顶部T试样算例结果及讨论
6.5.3 结果验证及增材样块局域塑性性能
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
致谢
本文编号：3982813
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