激光增材多孔铝合金的消声吸能性能研究

摘要

闭孔的多孔金属材料是一种新型的功能材料，以其良好的吸能性能、隔声性能及吸声性能受到人们广泛的关注。激光增材制造技术制备多孔铝合金不仅能够解决其难以形成冶金连接的问题，同时还能实现复杂大型多孔隔声结构的制备及复杂构件关键部位表面多孔减振层的复合制备。因此，开展激光增材多孔铝合金结构件的研究具有重大意义。
　　本文开发了一种激光增材制备多孔铝合金的新方法，将经过前处理修饰的造孔剂Till2粉体以同步送粉的方式送入熔池，延长造孔剂孕育期，最终实现多孔结构的原位合成。同时，探究了粉体前处理工艺改进、增粘元素Ti添加和稀土La2O3添加对其孔隙结构、吸能性能及隔声吸声性能的影响规律。此外，还设计了一种多孔声子晶体结构，通过模拟与实验结合的方法，探究了消声性能的变化规律。
　　研究结果表明，粉体前处理化学镀最佳参数为一次镀覆30min。最佳的激光直接沉积工艺参数为:激光功率密度为57.20W/mm2，扫描速率6mm/s，多道搭接率为42％，多层造孔分层厚度0.7mm，扫描路径为单向长光栅型扫描路径。在整个频域内，多孔铝合金的隔声性能与孔隙率成正比，而与孔径大小成反比，而频率较低时孔隙率起到主要控制作用;在吸能范围内理想吸能效率达到0.58;平均隔声量达到40.74dB。
　　同时，研究发现通过补液的方法可以改进粉体前处理效果，进而显著提升多孔铝合金的隔声与吸能性能。Ti元素的添加降低了孔隙率和孔径，但提高了弹性模量和屈服强度，导致理想吸能效率先增后减，隔声性能始终提高。稀土La2O3的添加提高了面密度，添加0.5％的La2O3同时提高了理想吸能效率和隔声性能。而添加1％的La2O3时，提升了理想吸能效率，但隔声性能大幅降低。
　　ABAQUS有限元分析计算结果和激光选区成型的多孔声子晶体样品测试结果表明，入射到多孔声子晶体结构内部的声波在接触散射体结构后会发生散射反应，同相位的散射波相互干涉，导致部分声能转化为热能，进而起到隔声和吸声效果。由于激光选区成型的样品存在着显微孔隙，导致在低频范围的隔声量与计算值相符合，而高频范围的隔声性能稍高于计算值。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2多孔金属材料及研究现状

1．2．1多孔金属材料概述

1．2．2多孔金属材料的研究现状

1．2．3多孔金属材料的消声吸能特性

1．2．4多孔金属材料的制备方法及存在问题

1．3激光增材制造技术及研究现状

1．3．1激光增材制造技术概述

1．3．2激光增材制造技术研究现状

1．4多孔金属材料的激光增材研究现状

1．4．1多孔金属材料的激光增材制造概述

1．4．2多孔金属材料的激光增材制造工艺及研究进展

1．5课题研究内容

第2章实验材料与实验方法

2．1实验材料

2．1．1基板材料

2．1．2粉体材料

2．1．3实验用试剂

2．2实验设备

2．3表征方法

2．3．1金相组织分析

2．3．2扫描电子显微镜分析

2．3．3 XRD物相分析

2．3．4吸声性能测试

2．3．5压缩性能测试

2．3．6镀层包覆质量测试

2．4本章小结

第3章激光直接沉积多孔铝合金制备与表征

3．1引言

3．2造孔剂粉体前处理

3．2．1敏化活化方法对镀层质量的影响

3．2．2镀覆时间对镀层质量的影响

3．2．3镀覆次数对镀层质量的影响

3．3激光直接沉积工艺参数分析

3．3．1功率密度对沉积质量的影响

3．3．2扫描速率对沉积质量的影响

3．3．3多道沉积搭接率的确定

3．3．4多层沉积分层厚度的确定

3．4激光直接沉积扫描路径参数分析

3．4．1扫描路径对致密度的影响

3．4．2扫描路径对显微组织的影响

3．4．3扫描路径对物相的影响

3．5多孔铝合金的激光直接沉积制备及显微表征

3．5．1多孔铝合金激光直接沉积

3．5．2采用镀覆补加工艺进行优化

3．5．3添加Ti元素进行优化

3．5．4添加稀土La2O3进行优化

3．6本章小结

第4章激光直接沉积多孔铝合金的消声吸能性能

4．1引言

4．2传递函数法测量消声性能的理论分析

4．3激光直接沉积多孔铝合金的消声及吸能性能

4．3．1吸能性能

4．3．2消声性能

4．4采用镀覆补加工艺对消声及吸能性能的影响

4．4．1采用镀覆补加工艺对吸能性能的影响

4．4．2采用镀覆补加工艺对消声性能的影响

4．5 Ti元素添加对消声及吸能性能的影响

4．5．1 Ti元素添加对吸能性能的影响

4．5．2 Ti元素添加对消声性能的影响

4．6稀土La2O3添加对消声及吸能性能的影响

4．6．1稀土La2O3添加对吸能性能的影响

4．6．2稀土La2O3添加对消声性能的影响

4．7本章小结

第5章激光选区成型多孔声子晶体消声性能及模拟研究

5．1引言

5．2有限元模型的建立与验证

5．3声场能量分析

5．4隔声系数的计算

5．5实验验证

5．5．1显微组织分析

5．5．2消声性能分析

5．6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢