激光3D打印Ni基合金微结构研究及数值模拟

发布时间：2017-08-24 11:09

  本文关键词：激光3D打印Ni基合金微结构研究及数值模拟

  更多相关文章： 3D打印 微结构 80Ni20Cr合金 Inconel 718合金 温度场

【摘要】：3D打印是一种先进的数字化制造技术,它通过逐层堆积的方式来制造三维实体零件。激光3D打印技术作为3D打印的一个研究热点,具有材料利用率高、加工柔性高、加工周期短以及不受零件几何外形限制等优点,尤其适合制造小批量、形状复杂的零件,在航空航天、医疗、汽车、船舶、核电等领域有着广泛的应用前景。目前,激光3D打印技术相关理论仍不完善,激光3D打印样件残余应力较大,容易出现开裂、塌陷等问题。使用激光熔化沉积技术打印80Ni20Cr合金及Inconel 718合金样件,并通过扫描电镜(SEM)、金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)对合金样的微观结构进行表征,分析样件内部缺陷形成机理及晶粒生长情况;使用显微维氏硬度仪及万能试验机测试合金样的力学性能,并结合合金样的微观结构分析不同工艺下合金样力学性能不同的原因。建立激光熔化沉积过程中的移动热源模型,并使用ANSYS对Inconel 718合金激光熔化沉积过程温度场进行模拟,模拟不同工艺下单道的温度场分布及形貌,以及工艺参数为P=500w、v=5mm/s、搭接率为20%的单层温度场分布及形貌,并结合实验结果分析样件中缺陷的形成原因。研究结果表明:层-层正交工艺打印的80Ni20Cr合金样件综合性能要优于层-层同向打印样件,样件具有更好的微结构特征;合金样件中主要的晶粒为柱状晶粒,柱状晶沿着激光沉积路径生长,在打印件底部存在少量等轴晶;样件成分为溶质Cr溶于溶剂Ni的固溶体;层-层正交工艺打印的80Ni20Cr合金样件的抗拉强度为410Mpa,硬度为406HV 0.2;层-层正交工艺打印样件拉伸断口表现为包含穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂特征,层-层同向工艺打印样件的断口表现为以沿晶断裂为主,包含少量穿晶断裂。激光3D打印Inconel 718合金单道的宽度和高度随着激光功率的增加而增加,随着激光扫描速度的增加而减小;随着激光功率的增加,打印样件的孔隙从2.6%减小到1.3%,样件更加致密;样件上的裂纹主要集中在样件底部,薄壁墙样件裂纹容易沿沉积高度方向扩展,形成宏观裂纹,立方体样件的裂纹较难跨过不同层,在侧面难以形成宏观裂纹;立方体沉积样侧面的晶粒以柱状晶为主,且柱状晶的分布较为无序。通过对激光熔化沉积过程有限元模拟发现:单道模拟结果同实验结果保持一致,随着激光功率的增加,熔池逐渐变大,沉积单道的宽度和高度变大,沉积单道中心处的熔化-凝固时间变长;随着扫描速度的增加,沉积单道的宽度和高度变小,沉积单道中心处冷却速度变快。单层沉积过程中,激光能量存在一定的滞后性,激光光斑前端能量低,粉末较难熔化;在激光移动拐角处,激光束能量容易集中,形成拐角处凸起;在单道搭接处,熔池温度较低,粉末熔化不充分,容易出现孔隙、凹陷。
【关键词】：3D打印 微结构 80Ni20Cr合金 Inconel 718合金 温度场
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.15;TG665
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 激光 3D打印技术9-13
• 1.1.1 激光 3D打印技术简介9-10
• 1.1.2 激光 3D打印技术国内外研究现状10-13
• 1.2 激光 3D打印数值模拟13-15
• 1.2.1 数值模拟及有限元分析13-14
• 1.2.2 激光 3D打印数值模拟研究现状14-15
• 1.2.3 激光熔化沉积模拟中的难点15
• 1.3 选题的背景和意义15-16
• 1.4 课题主要研究内容16
• 1.5 本章小结16-18
• 第二章 实验材料及方案18-28
• 2.1 实验设备18-20
• 2.1.1 激光 3D打印设备18-19
• 2.1.2 分析测试设备19-20
• 2.2 实验材料20-21
• 2.3 实验方案21-25
• 2.3.1 激光熔化沉积 80Ni20Cr合金样件工艺参数22-23
• 2.3.2 激光熔化沉积Inconel 718合金样件工艺23-25
• 2.4 分析测试方法25-27
• 2.4.1 密度25-26
• 2.4.2 组织性能26
• 2.4.3 XRD衍射分析26
• 2.4.4 拉伸性能26-27
• 2.4.5 微观硬度27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 激光熔化沉积 80Ni20Cr合金微观结构及力学性能研究28-37
• 3.1 引言28
• 3.2 打印样件形貌及密度28-30
• 3.2.1 样件形貌28-29
• 3.2.2 密度29-30
• 3.3 微观组织30-32
• 3.3.1 显微组织30-31
• 3.3.2 XRD衍射分析31-32
• 3.4 力学性能32-35
• 3.4.1 微观硬度32-33
• 3.4.2 拉伸性能及断口形貌33-35
• 3.5 本章小结35-37
• 第四章 激光熔化沉积Inconel 718合金成形控制及微观结构研究37-49
• 4.1 引言37
• 4.2 激光熔化沉积Inconel 718合金成形控制37-42
• 4.2.1 激光功率对单道形貌的影响38-40
• 4.2.2 激光扫描速度对单道形貌影响40-42
• 4.3 激光熔化沉积Inconel 718合金表面形貌和密度42-45
• 4.3.1 样件形貌42-44
• 4.3.2 密度和孔隙率44-45
• 4.4 激光熔化沉积Inconel 718合金微观结构研究45-48
• 4.4.1 微裂纹45-47
• 4.4.2 金相组织47
• 4.4.3 物相分析47-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第五章 激光熔化沉积Ni基合金温度场数值模拟49-71
• 5.1 引言49
• 5.2 激光熔化沉积有限元理论分析及模型49-55
• 5.2.1 激光熔化沉积过程传热模型49-50
• 5.2.2 激光移动热源模型50-52
• 5.2.3 热物性参数52-55
• 5.2.4 熔化潜热的处理55
• 5.3 激光熔化沉积Inconel 718合金温度场模拟有限元模型及求解55-59
• 5.3.1 激光熔化沉积Inconel 718合金温度场模拟有限元模型57-58
• 5.3.2 表面效应单元58
• 5.3.3 生死单元技术58-59
• 5.3.4 基本假设59
• 5.4 激光熔化沉积Ni基合金温度场数值模拟结果59-68
• 5.4.1 不同功率激光熔化沉积Inconel 718合金单道温度场及形貌59-62
• 5.4.2 不同扫描速度激光熔化沉积Inconel 718合金单道温度场及形貌62-65
• 5.4.3 激光熔化沉积Inconel 718合金单层温度场模拟结果65-68
• 5.5 模拟结果验证68-69
• 5.6 模拟中存在的不足69-70
• 5.7 本章小结70-71
• 第六章 总结71-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士期间发表的论文及研究成果76-77
• 致谢77-78

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本文编号：730956