高通量块体合金材料制备系统关键技术研究

发布时间：2020-11-10 11:58

　　 金属材料在材料应用领域具有十分重要的地位。加快发现和优化更高性能的合金配方,在工业、制造业、航天航空等领域具有非常重要的意义。然而,长期以来新材料的研发都是以基于经验或者按属性连续进行的方式,通过逐步实验获取数据,并从中确认研究模式。因此实验通量很大程度上决定了这种材料研发方式的速度。样品数量有限、研发效率低、研发周期长,已经难以适应当前世界各国材料快速发展的需求。随着金属增材制造技术逐渐成熟,基于该技术设计新型高通量金属制备设备成为可能。本文将增材制造技术的一体化制造、快速成型以及材料高利用率的特点与传统实验方法相结合,形成高通量块体合金材料制备系统。该系统主要关键技术如下:1.粉末精确定量递送技术;2.粉末混合和均化技术;3.金属粉末原位熔融固化技术;4.功能模块集成及智能控制技术。结构上本文首先对所设计的高通量块体合金材料制备系统各个功能模块和所运用到的技术要点进行了阐述。之后,主要对所研究的三个方面,多相流粉末混合模型,激光微区加热模型,运动功能模块设计进行详细分析。首先本文对于粉末混合均化技术,文章比较了多种离散元仿真方法,最后运用多相流闭包颗粒仿真方法(Multiphase Particle-in-Cell,MP-PIC)仿真方法模拟了粉末在混合腔体中的流动形态和特性。通过观察粉末流动,分析了粉末混合的运动机理,并根据结果设计了一种新型粉末快速混合装置,使其粉末混合效率得到大幅提升。对于粉末精确定量技术文章比较了在增材制造上运用较多的吸入式送粉器和其他在医学上应用的毛细管定量系统、振摇器式粉末定量系统、真空滚筒定量系统等,对各个装置的优缺点进行了比较。在金属粉末原位熔融固化技术方面,文章分析了应用激光净成型技术制备合金的优缺点,设计了基于APDL(ANSYS Parametric Design Language)的金属熔覆仿真程序,并对仿真结果中的温度场分布、热通量分布、温度变化曲线进行详尽的分析。功能模块设计方面,文章编写了基于MCX314和DSP2812的运动控制芯片的程序,消息描述了硬件中主要应用的各个模块和所用到的专用芯片参数。绘制MCX314基本硬件电路,并对主要程序进行了调试。高通量块体合金材料制备系统是一种复杂高效的合金研发制备设备,该设备的研发成功将对国内金属材料研发产生重要的影响。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TF125
【部分图文】：

第一章 绪 论1.1 研究工作的背景与意义人类文明的进程与材料应用的发展息息相关，从早期的石器时代、铁器时代，再到工业时代，新材料的研发大大提高了人类历史的进程。材料的发现和使用是一个缓慢演化的过程，进入工业文明时代以来，才开始有了较为系统的研究方法。新型材料的研发长期以来基于已有经验与材料属性连续进行试验，逐步确认的研究方式。效率低且成本高昂。如何更加快速、经济、有效地研发新型材料，提高优异性能材料的研发进度，是一直是材料学家密切关注的问题。多体相互作用模型及理论在凝聚态物理领域取得的重大进展使得人们对材料的结构有了更深刻的认知。随着计算机技术的发展，将人工智能、大数据的方法和物理、化学科学体系相结合，构成“计算机预测-材料实验-测试数据整合-计算机预测”的闭环体系，使计算预测材料结构性能可靠性大大提高。通过整合整套计算、实验中的数据资源，使得，得到所有实验资料得到充分的利用，从根本上提高了研发效率。

图 1-2 美国材料基因组计划打造由材料实验、材料实验数据库、材料计算机模拟构，形成现代化的材料研发体系。使材料研发流程维持在，实现数据共享，推动人工智能和大数据在材料研发料基因组计划整个研发流程来看，其主旨在于将材料、“试验性”向由计算机、人工智能和大数据主导的“预变。从而加快新材料从发现，研究到应用化、商业化的期解构缩短为传统周期的一半以上。定义的新型材料科学研究平台，将整合计算模拟、实验构材料研发中其工艺组成-特性结构-关键性能间的作用研发、制备表征、推广产业化到服役回收的整个寿命周程的内核。增材制造创新机构作为美国首家制造创新机构，2015增材制造应用研究与开发项目指南。该计划以增材制

图 1-3 高通量实验的主要发展历程1970 年，Hanak 率先将了“多样品实验”的方法应用于超导材料研究[11]。该方法的关键理念是在单次试验中制备完整覆盖多组分材料体系中不同元素组分的组合材料芯片。通过快速表征的方法并结合计算机进行相关的数据处理。但由于 70年代计算机处理数据能力和表征技术限制，该实验手段并未能够得到广泛普及。20 世纪 80 年代中期，随着组合化学学科的兴起，生物、医药方面的高通量新药筛选、高通量基因测序，化学、材料实验中用到的高通量平行反应器等都运用到了组合化学的方法。通过应用组合化学的方法，生物和化学等领域的新材料，新配方的研发效率都得到了显著的提高。20 世纪 90 年代中期，美国劳伦斯伯克利国家实验室的项晓东和 Schultz 对高通量组合材料实验方法[12]进行了发展和完善，形成了一套适应现代科研体系的试验方法[13]。同时在方法的推广应用过程中，取得了一系列新的进展，在产业化方面也卓有成效。20 世纪 90 年代末期，利用高通量组合材料方法研发新型材料已普遍被材料研
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本文编号：2877900