激光近净成形氧化铝薄壁件温度场模拟与优化

摘要

Al2O3陶瓷具有高熔点、高硬度、高强度和高化学稳定性的特点，现已广泛应用于航空航天、特殊冶金、磁流体发电等领域中，特别是在某些极端工况下，Al2O3陶瓷已经逐渐取代部分传统金属材料。利用传统烧结工艺制备Al2O3陶瓷零件致密度低，且不易成形形状过于复杂的零件，而通过将激光近净成形技术应用于Al2O3陶瓷零件制备中可以改善上述缺点，可制备出高性能、全致密、复杂形状的Al2O3陶瓷零件。但成形过程温度梯度过大会引起热应力过大，且陶瓷材料为典型的脆性材料，使得陶瓷零件很容易产生裂纹和翘曲等缺陷，因此降低成形过程温度梯度对于成形高质量的陶瓷零件意义重大。获取成形过程温度场信息是降低温度梯度的前提。由于成形过程熔池较小、温度极高，通过实验方法很难测得成形过程温度，因此引入数值模拟方法获取成形过程的温度场信息。本文通过建立有限元模型计算得到成形过程的温度和温度梯度变化规律，分析不同工艺参数对成形过程温度场的影响，进而优化工艺参数，为实验提供理论指导，具体研究内容如下:
　　(1)考虑模型基本假设、材料热物参数、模型建立、网格划分、热源模型、初始条件、边界条件、“生死单元”技术等因素，利用ANSYS软件建立激光近净成形10层Al2O3薄壁件的温度场模型，获得成形过程温度场分布规律。通过成形实验和热电偶测温结果验证模型的正确性;
　　(2)分析成形过程温度变化规律，解释成形过程不稳定区域产生的原因，通过优化扫描路径将该不稳定区域最小化。进一步分析成形过程温度梯度变化规律，得到成形过程的主要温度梯度方向和最大温度梯度位置。通过分析成形过程塑性点温度梯度大小，指出薄壁件裂纹等缺陷产生的主要原因;
　　(3)改变成形过程的激光功率、扫描速度、预热方式和预热温度，分析不同工艺参数对成形过程最高温度和塑性点温度梯度大小的影响规律。综合考虑影响因素，优化激光近净成形Al2O3薄壁件的工艺参数，获得一组最佳工艺参数，既可以保证成形过程的稳定性，又可以最大限度降低塑性点温度梯度大小。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 激光近净成形技术

1．1．1 激光近净成形的原理及系统组成

1．1．2 激光近净成形技术的研究现状

1．2 激光近净成形陶瓷结构件

1．2．1 氧化铝陶瓷概述

1．2．2 激光近净成形陶瓷结构件的特点和要求

1．2．3 激光近净成形陶瓷结构件的研究现状

1．3 激光近净成形过程温度场数值模拟的研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本课题研究背景及主要内容

2 激光近净成形氧化铝薄壁件温度场模型的建立和验证

2．1 激光近净成形氧化铝薄壁件温度场模型的建立

2．1．1 模型基本假设和材料热物参数

2．1．2 模型建立和网格划分

2．1．3 热源模型和初始边界条件

2．1．4 生死单元技术和温度场分布

2．2 温度场模型的验证实验

2．2．1 熔池形貌对比实验

2．2．2 热电偶测温实验

2．3 本章小结

3 激光近净成形氧化铝薄壁件温度场变化规律

3．1 激光近净成形过程温度变化规律

3．1．1 最高温度随时间变化规律

3．1．2 节点温度随时间变化规律

3．2 激光近净成形过程温度梯度变化规律

3．2．1 节点温度梯度随时间变化规律

3．2．2 最高温度梯度的位置

3．3 冷却凝固阶段温度梯度变化规律

3．3．1 冷却凝固阶段温度梯度随温度的变化规律

3．3．2 塑性点温度梯度变化规律

3．4 本章小结

4 激光近净成形氧化铝薄壁件温度场优化方法

4．1 工艺参数对氧化铝薄壁件温度场的影响

4．1．1 激光功率对氧化铝薄壁件温度场的影响

4．1．2 扫描速度对氧化铝薄壁件温度场的影响

4．2 基板预热对氧化铝薄壁件温度场的影响

4．2．1 预热方式对氧化铝薄壁件温度场的影响

4．2．2 预热温度对氧化铝薄壁件温度场的影响

4．3 激光近净成形氧化铝薄壁件最佳工艺参数

4．3．1 获取最佳工艺参数的步骤

4．3．2 工艺参数优化过程

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢