SnTe热电材料选区激光熔化热应力场数值模拟及实验研究

摘要

热电转换技术能够实现热能与电能之间的直接转换，有望解决能源与环境问题。但传统的热电器件制备过程一般为减材制造或等材制造，需要经过块体材料的制备、粒子切割、喷涂、电镀、清洗、焊接、封装等多道工序，存在对设备要求高、周期长、原料浪费大、成本高等缺点，制约了热电技术的大规模商业化应用。因此，亟需发展热电器件的新型制备技术。选区激光熔化技术是一种基于材料逐层叠加原理的至下而上的新型近净成形制造技术，通过建立数字化模型，可以在较短的时间内实现复杂形状三维物体的“自由制造”，如若将该技术应用于热电单臂、电极材料的快速制造及二者的焊接结合，将大大优化传统热电器件的加工工艺，降低成本。但SLM成形是一个包含复杂的物理化学反应的传热传质过程，成形质量受多参数协同影响，且极高的升降温速率也会导致工件内产生应力应变，进而影响其力学性能。基于以上原因，本文以中温热电材料SnTe为研究对象，提出了一种非线性三维瞬态热-结构耦合有限元模型，研究SLM过程中的温度场及应力场，并通过相关实验进行验证。具体工作如下： 基于大型商业有限元软件ANSYS，采用程序设计语言（ANSYS Parametric Design Language，APDL）参数化建模，建立高斯分布面热源，考虑材料属性随温度的非线性变化、粉末与实体之间的热物性差异以及熔化和气化潜热，研究了不同工艺参数下的熔池尺寸、瞬时最高温度、冷却速率、液相时间以及温度梯度。分析后得出，单向扫描方式下，当扫描速率v=300mm/s，激光功率P=10W，扫描间距h=40μm，铺粉厚度d=25μm时的熔池更加稳定，温度场更均匀。不同扫描方式对熔池的宽度、深度以及气化程度影响不大，但分区蛇形扫描能够大幅增加熔池长度，减小温度梯度，降低冷却速率。 在温度场结果的基础上，保持原有的几何模型及网格划分，采用热-结构间接耦合法，结合“生死单元”技术模拟真实的粉末成形过程，并对熔池进行零应力处理，研究SnTe材料SLM成形过程中的热应力演变及冷却至室温后成形件的残余应力分布。结果表明：扫描过程中热应力的大小及表现形式随光斑的移动出现周期性变化，残余应力则主要表现为沿扫描方向的拉应力，且集中在第一条扫描道及粉层与基板交界处；在可成形条件下，残余应力随着扫描速率及激光功率的增大而增大，当扫描速率v=300mm/s，激光功率P=10W时，应力场分布均匀且应力值处于较低水平；扫描间距h越大，应力场分散性越强，不利于成形质量的控制；铺粉厚度d对应力场分布的影响则与h相反，且当d=25μm时保持较低的应力值兼顾应力场的均匀性；缩短加工路径、合理规划扫描区域能够有效降低残余应力，在特殊区域避免应力集中。 采用自蔓延高温合成法制备SnTe粉末，对不同扫描速率下的SnTe单道及成形面进行SLM实验研究，观察单道的熔池尺寸、成形面的表面质量及微结构特征，并采用X射线衍射法进行残余应力测试，与应力场计算结果进行对比。结果表明：在可成形范围内，计算获得的SnTe单道线宽度与实验值较吻合，而深度则略微偏低，验证了熔池尺寸的计算结果；当扫描速率增大时，主要成形缺陷由气化变为球化，验证了最高温度及液相时间的计算结果，微结构逐渐精细化则验证了冷却速率的计算结果；X射线衍射测得的σx及σy残余应力值与模拟计算值吻合度较高，验证了应力场的计算结果。 以上结论证明了本研究中的有限元模型的可靠性，为后续进一步采用SLM制造SnTe基热电器件奠定了重要基础，也为其他热电材料体系的激光非平衡制备技术提供了理论指导。

目录

声明

第1章 前言

1.1 引言

1.2 传统的热电器件制造方法

1.2.1 工艺流程

1.2.2 存在问题

1.3 激光增材制造技术简介

1.3.1 激光增材制造技术的分类及特点

1.3.2 选区激光熔化技术的发展

1.4 选区激光熔化过程有限元模拟

1.4.1 有限元法的产生与发展

1.4.2 SLM过程温度场有限元模拟研究现状

1.4.3 SLM过程应力场有限元模拟研究现状

1.5 论文的选题目的和主要研究内容

第2章 SLM过程有限元分析基本理论

2.1 引言

2.2 SLM温度场模拟的基本理论

2.2.1 温度场控制方程

2.2.2 初始条件及边界条件

2.2.3 高斯面热源模型

2.2.4 熔化及气化潜热

2.3 SLM应力场模拟的基本理论

2.3.1 热弹塑性理论

2.3.2 屈服准则

2.3.3 流动准则

2.3.4 强化准则

2.4 材料属性

2.4.1 粉床密度

2.4.2 粉床有效热导率

2.4.3 材料比热

2.4.4 力学性能

2.5 关键技术

2.5.1 生死单元技术

2.5.2 单元属性变换

第3章 SnTe材料SLM过程温度场模拟

3.1 引言

3.2 温度场求解设置

3.2.1 假设条件

3.2.2 数学模型

3.2.3 算法设计

3.3 温度场基本特征

3.4 扫描速率对温度场的影响

3.5 激光功率对温度场的影响

3.6 扫描间距对温度场的影响

3.7 铺粉厚度对温度场的影响

3.8 扫描方式对温度场的影响

3.9 本章小结

第4章 SnTe材料SLM过程应力场模拟

4.1 引言

4.2 应力场求解设置

4.2.1 间接热-结构耦合法

4.2.2 设定模型边界条件

4.2.3 应力场算法设计

4.3 热应力演变过程

4.4 残余应力分布

4.5 不同工艺参数对应力场的影响

4.5.1 扫描速率对应力场的影响

4.5.2 激光功率对应力场的影响

4.5.3 扫描间距对应力场的影响

4.5.4 铺粉厚度对应力场的影响

4.5.5 扫描方式对应力场的影响

4.6 本章小结

第5章 SnTe材料SLM成形实验及残余应力测试

5.1 引言

5.2 SnTe材料SLM成形实验条件与装置

5.2.1 实验材料

5.2.2 实验装置

5.3 残余应力测试与分析

5.3.1 测量原理及计算公式

5.3.2 测量方法及实验装置

5.4 实验结果与分析

5.4.1单道线的宽度与深度

5.4.2成形面的表面形貌

5.4.3成形面的显微组织

5.4.4 残余应力测试值与模拟值的比较

5.5 本章小结

第6章 结论

参考文献

硕士期间发表论文和参加会议情况

（一）发表论文情况

（二）参加会议情况

致谢