钢板激光扫描变形及二元粉末激光烧结过程数值模拟

摘要

本文对65Mn钢板表面激光扫描变形和含Al二元粉末体系激光诱导自蔓延烧结过程进行实验研究，并采用ANSYS有限元分析软件对实验过程进行数值模拟。论文主要内容如下:
　　(1)采用CO2激光加工机，按照不同工艺参数组合对65Mn钢板表面进行扫描变形实验，记录扫描前后钢板的不平度。分析钢板激光扫描作用过程，建立了用于表示激光扫描过程的传热模型。使用ANSYS有限元分析软件对实验过程进行数值模拟，计算得到温度场和应变场随激光功率、扫描速度的变化规律。结果表明:扫描速度越小，功率越大，钢板温度上升越快，整体温度越高，温度梯度越大，变形量越大。钢板变形量的模拟值与实验值基本一致。
　　(2)将Ni粉与Al粉按原子比3∶1配比均匀混合，并压制成坯。采用激光诱导自蔓延技术制备Ni-Al合金，对烧结合金进行XRD物相分析和显微组织表征。实验结果表明:烧结合金上表面产物主要为Ni3Al，组织呈网状和胞状。中间面烧结产物为Ni3Al和NiAl，组织呈网状和针状，部分区域呈胞状。下表面烧结产物为NiAl相，组织呈片状。数值模拟结果表明:体系反应10s后，上表面温度最高为1345K，中间面温度为1137K，下表面温度最低为1032K。结合Ni-Al体系激光诱导自蔓延烧结反应热力学特点，分析得到上表面、中间面和下表面烧结产物相组成，与XRD衍射分析结果一致。
　　(3)将Fe粉与Al粉按原子比2∶3配比均匀混合，并压制成坯。采用激光诱导自蔓延技术制备Fe-Al合金，对烧结合金进行XRD物相分析和显微组织表征。实验结果表明:烧结合金上表面产物主要为FeAl，组织呈条状。中间面烧结产物为Fe3Al和FeAl，组织呈条状。下表面烧结产物为Fe3Al，组织呈胞状。数值模拟结果表明:随着烧结时间的增加，烧结合金整体温度都在升高，10s时上表面温度最高为1150K，中间面温度为894.033K，下表面温度最低为820.979K。通过分析Fe-Al体系激光诱导自蔓延烧结反应热力学特点，得到上表面、中间面和下表面烧结产物相组成，与XRD衍射分析结果一致。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 数值模拟计算及其在材料科学中的应用

1．1．1 数值模拟简介

1．1．2 激光扫描变形数值模拟在国内外的研究现状

1．1．3 激光烧结数值模拟在国内外的研究现状

1．2 激光加工技术在材料合成中的应用

1．2．1 激光扫描变形概况

1．2．2 激光诱导自蔓延烧结概况

1．3 含AI二元烧结合金概况

1．3．1 Ni-AI系金一问化合物简介

1．3．2 Fa-AI系金一问化合物简介

1．4 本文研究内容及意义

2．激光加工过程的传热模型

2．1 传热过程的基本理论

2．1．1 热传导

2．1．2 热对流

2．1．3 热辐射

2．2 激光与材料的相互作用

2．2．1 激光对材料的加热效应

2．2．2 金属表面对激光的吸收与反射

2．3 激光加工过程的传热模型

2．4 ANSYS瞬态热分析简介

3． 65Mn钢板表面激光扫描变形及数值模拟

3．1 实验材料

3．2 实验方法

3．3 实验结果与分析

3．4 65Mn钢板表面激光扫描变形有限元模型

3．4．1 设定单元类型

3．4．2 热物性参数的确定

3．4．3 有限元模型的建立

3．4．4 热源模型及加载

3．5 65Mn钢板表面激光扫描变形数值模拟分析

3．5．1 温度场模拟结果及分析

3．5．2 应变场模拟结果及分析

3．6 本章小结

4． NI-AI二元系激光烧结过程数值模拟计算

4．1 激光诱导自蔓延成形机理分析和成形过程

4．2 实验材料

4．3 实验方法

4．4 XRD衍射分析及显微组织表征

4．5 有限元模型的建立

4．6 热物性参数的确定

4．7 计算结果及分析

4．8 本章小结

5．Fe-AI二元系激光烧结过程数值模拟计算

5．1 实验材料

5．2 实验方法

5．3 XRD衍射分析及显微组织表征

5．4 Fe-AI二元系激光烧结过程数值模拟及结果分析

5．4．1 热物性参数的确定

5．4．2 计算结果及分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

作者简历

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