喷射沉积管坯的形貌模拟及喷射高度控制的研究

摘要

喷射沉积技术是制备快速凝固高性能材料的新型金属近成形技术，沉积坯件具有成分均匀、组织细化、致密度高、含氧量低、偏析程度小等特征。该技术在欧美、日本等国家已经进入工业化生产阶段，国内对该技术的研究基本还处于实验室材料研究或中试阶段，对喷射沉积自动控制及智能控制方面的研究已经展开，但离工业化生产尚有一段距离。 本文针对喷射沉积工业化生产特点，对喷射沉积大规格管坯生产设备中的控制系统及形貌控制的关键技术进行了研究和分析。介绍了喷射沉积技术研究发展的概况，对现有的喷射沉积管坯生产设备结构进行了分析比较，分析结果表明往复式多层喷射沉积生产工艺和装置结构更适合管坯的工业化生产。 针对往复式喷射沉积工艺的特点，研究了单层沉积轨迹特性及其数学模型，分析了基底运动参数对单层沉积特性的影响，提出了单层沉积厚度计算方法，建立了多旋转周期沉积轮廓叠加的单层沉积厚度模型，利用该模型对沉积厚度进行计算仿真，获得了保证均匀沉积面的运动参数优化条件。 喷嘴喷射高度是影响坯件材料性能的重要参数，保持喷射高度稳定是保证沉积管坯形貌良好的关键环节之一。本文研究并提出了喷射高度在线控制系统结构，针对往复式喷射沉积厚度间隔增长的特点，研究了沉积层厚度在线测量方法，分析了收集基底形状误差对测量及控制精度的影响并提出了多点测量方案，理论分析表明采用三点测量方案可以消减基底形状误差的影响，最后通过实际喷射成形不同直径和壁厚的管坯的生产试验对模拟计算结果以及喷射高度控制中的三点测量方案进行了验证，验证结果表明测量结果与预测值相当一致，且制备出的管坯表面形貌和材料组织性能良好。 本文所研究的喷射沉积管坯形貌策略在喷射沉积铝合金管坯制备生产设备中已得到了较好的应用。