均匀铝微滴沉积成形微观组织演化机理研究

摘要

均匀微滴喷射沉积技术是一种新兴的快速成形技术，它基于离散-堆积成形原理，以喷射产生的均匀微滴为基本制造单元，按照CAD模型分层数据在基板上逐点、逐层地沉积，从而实现三维实体的直接成形。该技术具有短周期、高柔性、适用材料广泛、无需专用工具等优点，被认为是一种极具潜力的微小复杂金属零件快速成形方法。然而，均匀微滴喷射沉积成形金属零件是个受多因素综合影响、多场耦合作用的复杂过程，涉及碰撞金属微熔滴的铺展、回缩、震荡与冷凝等瞬时热、动力学行为，以及连续沉积熔滴间的交互作用，使得沉积态金属微观组织结构的形成与演化有别于传统凝固成形过程，且研究难度较大，目前尚未针对此类问题开展系统而深入的研究。
　　本文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，依托本课题组自行设计开发的均匀金属微熔滴按需喷射沉积成形实验平台，以7075高强度铝合金为实验材料，对均匀熔滴受控沉积成形行为、沉积态金属微观组织形成演化过程、接触熔滴界面结合方式以及沉积体内部常见缺陷等关键问题进行深入研究，以期为该技术在微小复杂金属零件快速制造领域的实际应用提供一定的理论与实验依据。本文主要研究内容和结果有：
　　（1）利用改进的水平集法模拟研究了铝合金微熔滴的气动按需喷射产生过程，并探讨了飞行下落熔滴的热力学和动力学状态变化规律，进而确定了熔滴初始尺寸、碰撞速度和沉积温度等参数取值范围。在此基础上分析了金属熔滴/固态表面间的常见交互作用类型及其发生条件，并获得了熔滴非等温沉积过程中的热流耦合作用规律，涉及铺展、回缩和震荡等瞬时现象以及伴随发生的高温熔体冷凝行为，最终揭示了受控沉积铝熔滴的典型表面形貌（如波纹）及内部微观组织（包括粗大晶粒、微细定向枝晶组织及粗大非定向枝晶）的形成机理；
　　（2）借助高速摄像技术，观察研究了均匀铝微滴连续沉积过程涉及的两种基本模式（层间垂直堆叠和层内水平搭接），明确了垂直柱和水平线条等典型一维结构组织形貌的形成与演化过程，掌握了周期性热循环效应和竞争生长机制对各类典型结构凝固组织的形成与演化过程的影响机理。进而分析了层间热累积效应的产生机理、影响因素、及其对垂直柱组织形貌与力学性能等的作用规律，为掌握不同模式下沉积态金属微观组织的形成与演化机理奠定了理论基础；
　　（3）分析了均匀铝微滴喷射沉积三维实体的成形原理，探讨了基本沉积模式的结合方式以及扫描轨迹对熔滴沉积成形行为的影响规律，并观察研究了铝合金沉积体的组织形貌与物相分布特点，包括层状组织结构特征、晶粒形貌尺寸、相组成及其分布、以及元素偏析状况等，有助于进一步确定沉积态金属微观组织的强化机理；
　　（4）确定了接触金属微熔滴间的主要界面结合方式（机械结合和冶金结合），并通过分析局部重熔温度条件，提出了熔滴界面结合状态的数值预测模型，并探讨了熔滴温度、沉积表面温度和界面接触热阻等主要因素对界面结合状态的影响规律。进而结合拉伸试验结果确定了熔滴界面结合状态对铝合金沉积体力学性能及其断裂方式的影响规律，为沉积态金属零件成形工艺参数的优化和组织性能的改善提供了依据；
　　（5）观察了铝合金沉积体内部常见缺陷形貌特征，包括孔洞缺陷（间隙孔洞、气孔和凝固收缩孔洞等）和裂纹缺陷（熔合线裂纹和热裂纹等），并确定了上述各类缺陷的形成机理及主要影响因素，进而提出了抑制或消除不同缺陷的有效措施，为实现喷射沉积成形金属零件的应用奠定了基础。

目录

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中文摘要

英文摘要

论文的主要创新和贡献

目录

第1章 绪论

1 .1 引言

1 .2 均匀微滴喷射产生技术研究概述

1 .3 均匀微滴喷射产生技术在金属零件成形领域应用研究现状

1 .4 金属微熔滴受控沉积过程及其微观组织研究现状

1 .5 均匀金属微熔滴沉积成形过程及微观组织研究现状

1 .6 选题目的及意义

1 .7 研究内容与章节安排

第2章 研究方案与实验方法

2 .1 引言

2 .2 研究方案设计

2 .3 实验材料

2 .4 均匀金属微熔滴按需喷射沉积实验平台简介

2 .5 组织形貌表征分析

2 .6 性能测试

第3章 均匀铝微滴喷射沉积成形行为研究

3 .1 引言

3 .2 铝微滴喷射飞行过程研究

3 .3 铝微滴碰撞沉积行为研究

3 .4 均匀铝微滴连续沉积过程研究

3 .5 均匀铝微滴沉积成形过程研究

3 .6 本章小结

第4章 均匀铝微滴沉积成形组织形貌演化过程研究

4 .1 引言

4 .2 受控沉积铝微滴组织形成规律研究

4 .3 均匀铝微滴连续沉积组织形貌演化过程研究

4 .4 铝合金沉积体微观组织及物相分析

4 .5 本章小结

第5章 沉积成形铝微滴界面结合及其影响研究

5 .1 引言

5 .1 接触铝微滴界面结合研究

5 .2 界面结合状态对铝合金沉积体的影响

5 .3 本章小结

第6章 铝合金沉积体内部缺陷及其影响因素研究

6 .1 引言

6 .2 铝合金沉积体内部孔洞缺陷

6 .3 铝合金沉积体内部裂纹缺陷

6 .4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及科研情况

致谢

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