激光立体成形过程中粉末与熔池气液界面微观作用机制

摘要

激光立体成形是在同步送粉激光表面熔覆和快速成型技术基础上发展起来的一项高性能金属零件的数字化增材制造技术，能够实现高性能复杂结构致密金属零件的直接制造、受损零件的高性能修复以及功能梯度材料的制备。激光立体成形技术因具有无模具、高柔性、快速响应、成形件综合性能优异等一系列的技术优势而受到国内外研究者的青睐，迅速成为材料加工领域研究的热点，并且在航空航天、医学植入体、船舶、机械、能源、动力等领域展现出极为广阔的应用前景。
　　本文针对激光立体成形过程中粉末颗粒与熔池气液界面的交互作用进行研究，通过建立粉末颗粒与气液界面交互作用的有限元模型和相似物理过程的实验观测，重点研究不同粉末初始运动状态（初速度、入射角度）以及粉末不同表面性质条件下，粉末颗粒通过气液界面后运动状态变化的规律及机制，并依据交互作用规律和机制探讨激光立体成形过程中的相关工艺性问题。论文研究将为粉末送进的优化以及进一步研究粉末颗粒在熔池内部的熔化以及运动过程奠定基础。论文主要研究内容及研究结论如下：
　　1.基于粉末流与熔池交互过程分析，对激光立体成形过程中粉末颗粒与熔池气液界面交互作用过程进行简化，建立了单颗粉末颗粒与熔池交互过程的简化物理模型；在此基础上，采用流体力学分析软件 Fluent建立粉末颗粒与气液界面交互过程的数值模型，实现对粉末颗粒与气液界面交互过程的模拟计算。
　　2.建立了粉末颗粒与气液界面交互过程的实验观测系统，采用高速摄影技术观测粉末颗粒突破透明液体气液界面过程，用于验证粉末颗粒与熔池气液界面交互作用模型的可靠性。以粉末颗粒入水过程为研究对象，对比有限元模型计算以及高速摄影拍摄的粉末颗粒入水前后的运动状态，结果表明模拟计算结果与实验观测结果吻合较好，验证了有限元模型的可靠性。
　　3.以TC4粉末颗粒与熔池气液界面交互作用过程为研究对象，采用建立的有限元数值模型研究粉末颗粒与熔池气液界面交互过程的一般规律。结果表明，粉末颗粒在突破TC4熔池气液界面的过程中，由于气液界面的表面张力作用以及粉末颗粒与熔池液面之间的润湿性的影响，其运动速度先快速降低，后缓慢下降，颗粒运动速度呈现出非均匀下降的趋势；同时，粉末颗粒对熔池液面产生作用，使得在熔池表面产生波动区，且TC4粉末颗粒以2.5m/s入射进 TC4熔池时，波动区的直径为粉末颗粒自身直径的2.5 倍，该区域的液面产生了一定的速度变化，并且在颗粒进入熔池过程中，会带入部分气体。
　　4.基于 Fluent模拟粉末过程以及高速摄影图像分析，结合激光立体成形工艺性实验，研究了粉末颗粒通过气液界面后速度变化对沉积层表观质量的影响。结果表明：粉末颗粒表面越光滑，初始速度越高，其穿过熔池气液界面后的速度降低率越小，激光立体成形过程越不易形成表面粘粉；粉末颗粒表面越粗糙，初始速度越低，其穿过熔池气液界面后的速度降低率越大，激光立体成形过程越容易形成表面粘粉。

目录

声明

第一章 前 言

1.1 激光立体成形原理及特点

1.2 激光立体成形的发展历程

1.3 激光立体成形过程中的缺陷

1.4 激光立体成形过程中粉末与熔池的交互作用

1.5 激光立体成形的建模

1.6 问题的提出

第二章 研究内容及方法

2.1 研究内容及方案

2.2 主要实验设备及其参数

第三章 粉末颗粒与气液界面交互的有限元模型及实验观测

3.1 粒与熔池气液界面作用过程简化物理模型

3.2 数值模拟计算模型

3.3模拟材料的选择

3.4 模拟计算结果

3.5 粉末颗粒与气液界面交互过程的高速摄影

3.6 高速摄影实验详细方案的确定

3.7 粉末颗粒速度及角度的测量

3.8 粉末初始运动状态与模拟观测系统的验证

3.9 本章小结

第四章 粉末颗粒与熔池气液界面交互作用特性及规律

4.1 粉末颗粒进入熔池过程及速度分布

4.2 粉末颗粒进入熔池过程中的速度变化

4.3 粉末颗粒入射角度改变与运动状态变化之间的关系

4.4 粉末颗粒入射速度改变与运动状态变化之间的关系

4.5 本章小结

第五章 粉末颗粒与气液界面作用的工艺性验证研究

5.1 粉末入射速度对沉积层表观质量的影响

5.2 粉末制备方式与表面状态

5.3 不同粉末颗粒高速摄影实验

5.4 粉末表面状态对激光沉积层表观质量的影响

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

硕士阶段发表论文及专利

致谢