【摘 要】
:
增材制造被认为是新一轮工业革命的驱动力,受到了世界各国的广泛关注。传统选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)只有一个激光,加工效率较低,成为限制其工业化应用的主要原因之一。选区多激光熔化可以显著增加制造零件效率,扩大其应用范围,对于推进SLM技术提高其效率和工业化应用具有重要的意义。但是对于多激光技术计算流体动力学(Computational Fluid Dynam
论文部分内容阅读
增材制造被认为是新一轮工业革命的驱动力,受到了世界各国的广泛关注。传统选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)只有一个激光,加工效率较低,成为限制其工业化应用的主要原因之一。选区多激光熔化可以显著增加制造零件效率,扩大其应用范围,对于推进SLM技术提高其效率和工业化应用具有重要的意义。但是对于多激光技术计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的研究鲜有报道。所以,本文建立了镍基高温合金(GH4169)选区双激光熔化过程的三维高保真粒子尺度计算流体动力学模型,在此基础上分析了选区双激光熔化过程中镍基高温合金熔池的动力学行为。主要研究内容如下:(1)首先,研究了选区并行双激光熔化熔池的润湿、颈缩和重叠区附近的气孔现象。结果表明,选区并行双激光熔化(Selective Parallel Dual-laser Melting,SPDLM)工艺提高了熔池的重熔率和熔池重叠区域的润湿性,降低了缺陷发生的概率,特别是降低了粉末颗粒未完全熔化的概率。当并行双激光间距为激光束半径的2.5倍时,由于两道熔池重叠区域温度分布均匀,熔池完全熔化,可以更好地保证两熔池重叠区域的产品质量。采用优化工艺参数的SPDLM技术不仅可以提高打印效率,而且可以改善两熔池重叠区域的表面成形质量。模拟结果还揭示了选区多激光熔化过程中气孔缺陷的形成机理。高精度颗粒尺度CFD模型方法来表征SPDLM过程中的熔池,有助于选区多激光熔化过程的优化设计。(2)其次,研究了选区顺序双激光熔化(Selective Sequential Dual-laser Melting,SSDLM)的扫描功率和双激光偏置间距对熔池润湿性,孔隙和颈缩现象的影响。CFD结果表明:当两激光偏置间距为激光半径的3.7倍左右时,重叠区熔池较大,且熔池向四周流动,此时熔池润湿性能良好。合适的后激光热源可以消除前激光热源产生的未完全熔化形成的孔洞以及反冲力凹陷坍塌形成的卷气。因为后激光产生反冲力凹陷可以将前激光因熔化不完全而形成的孔洞击穿,使得孔洞中气体与空气连通。随着熔池周围的液体对该处进行补充,从而消除孔洞。CFD模拟结果与实验结果一致。熔池受到较强的蒸汽反冲力和Marangoni力共同作用,而表面张力的影响较小,导致熔池流动稳定且流速较快,熔池表面质量较好。因此,具有合适工艺参数的SSDLM可显著消除熔池颈缩现象。同时采用正交实验得到了SSDLM镍基高温合金最佳产品质量的工艺加工窗口。(3)最后,对选区相向双激光熔化(Selective Oppositely Dual-laser Melting,SODLM)重叠区的熔池形貌进行了研究。结果表明:当选区相向双激光熔化在合适的参数下,重叠区熔池完全熔化,可以提高产品表面质量。重叠区熔池受到反冲力和Marangoni力共同作用下,朝着粉末颗粒底部流动,重叠区粉末颗粒底部空气将会消失,提高了重叠区产品的致密度。研究结果显示,选区两激光相向扫描会影响熔池流动。两激光相遇后,两激光重叠区熔池受到蒸汽反冲力的影响,使得蒸汽反冲力驱动熔池朝着相向激光熔池尾部横向流动,提高了重叠区熔池边缘的润湿性。本研究工作可以为SODLM工艺优化提供指导依据。
其他文献
现今,超声电机技术相对成熟,其结构型式颇为丰富,电机性能优良,但已有的旋转型超声电机相对直线型超声电机而言,其结构型式比较单调,电机性能也有待提高。为丰富旋转超声电机的结构型式并提升电机性能,本文提出了单十形结构及复十形结构定子驱动的旋转超声电机,并结合有限元分析法对其进行了深入的设计与研究,主要贡献在于:总结了超声电机的原理、分类、特点及相关应用,梳理了国内外旋转超声电机的发展及研究现状。阐明了
薄壁层合板壳构件因强度高、韧性好而广泛运用于航空航天壁板,但其振动极易造成结构破坏且影响使用寿命,粘弹性阻尼材料因其剪切耗能特性,应用于约束阻尼层合板壳中具备良好的减振效果,但若全覆盖阻尼材料势必增加结构整体质量,不利于轻量化原则。拓扑优化能够在限定材料使用量下最大限度地抑制结构振动和噪声辐射,以变密度拓扑优化法为基础,编制多种惩罚模型下的优化程序以获得最优材料敷设位置,旨在减少板壳结构整体质量且
线缆在复杂机电产品中的占比越来越多,这使得线缆成为了影响产品装配、性能、质量的一个关键因素。复杂机电产品内部空间狭窄且线缆与连接件众多,这对线缆装配工艺的制定提出了挑战。目前,无论是传统方法利用物理样机对线缆进行模拟装配,还是利用计算机辅助技术对线缆进行模拟装配,所得到的线缆装配工艺文件大都存在没有联系实际物理装配情况、没有较好的人机交互等问题。为了提高线缆装配的质量和效率,本文对复杂机电产品线缆
压电作动器是一种新型作动器,其基于压电材料的逆压电效应将电激励转换为定子微观振动并通过定/动子间摩擦将振动转化为移动或转动。不同于电磁作动器,压电作动器响应快、精度高、运动平稳、断电自锁,在生物医疗、芯片制造等有高精密定位需求行业应用前景广泛。现阶段投入实际使用的压电作动器多为单自由度直线或旋转作动器,多自由度作动器的研究较为匮乏,基于此,本文新提出了一种盆架状单定子平面压电作动器并取得如下成果:
铁素体不锈钢因其线膨胀系数小、热导率高及耐腐蚀性优异等优势,广泛应用于汽车、海运集装箱、建筑及家电等领域。但是使用TIG焊对厚板铁素体不锈钢进行焊接时需要开坡口并多层多道焊,易因热输入积累过大而导致接头热影响区的铁素体晶粒过度长大,降低铁素体不锈钢接头的强度和韧性,因此极大的限制了厚板铁素体不锈钢的应用。采用A-TIG焊焊接厚板奥氏体不锈钢时能有效减少焊接次数和缩短高温停留时间,改善奥氏体不锈钢接
Al-Cu系铝合金具有比强度高、质量轻等优点,被广泛应用于航空航天、国防工业和交通运输等领域。传统制造工艺制备复杂的铝合金零件,存在生产周期长、模具成本高等局限性。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是一种适合成形复杂金属零件的增材制造技术,但由于Al-Cu系铝合金在激光成形过程中易氧化、对激光吸收率低、热裂倾向大等特性,导致其SLM成形困难。本文通过优化SL
开孔泡沫铝是一种多孔轻质的功能材料,其性能由孔的结构性能和基体材料性能叠加构成,因其优异的性能广泛应用于各行各业。以聚氨酯泡沫为母体的石膏型精密铸造法是制备开孔泡沫铝主要方法之一,该方法制备的开孔泡沫铝孔隙率可达98%以上。泡沫铝孔支柱的力学性能是影响泡沫铝综合性能的主要因素,然而高孔隙率导致孔支柱通常较细小且端面多为三角形,这导致其力学性能差,极大地限制了其应用范围。为提高该类开孔泡沫铝的力学性
由于广布疲劳损伤是导致航空事故的重要原因之一,其中多位置损伤(Multiple Site Damage)是广布疲劳损伤的主要形式,而多位置损伤MSD裂纹具有检测困难、存在时间长、扩展时间短的特点。在飞机的主导裂纹上,或主导裂纹的扩展方向上一旦出现较小的多位置损伤裂纹,则飞机结构件的剩余强度就会被大幅度降低,使之无法经受持续的循环载荷。因此,研究多位置损伤裂纹的萌生及其多裂纹扩展行为显得十分重要。本
铍铜合金具有高强度、高硬度、高导电率等特点,是综合性能很好的铜合金。目前国内外科研人员关于铍铜合金的研究主要集中在高铍铜合金(1.6%~2.0%Be),但高铍带来优良的力学性能的同时,也给生产、加工带来诸多问题。因此,尽量降低Be含量是铍铜合金的发展趋向。但Be含量降低又会致使合金的力学性能显著降低,尤其对低铍铜而言强度和导电性这一对相互矛盾的性能更是很难两者同时兼顾。因此在尽可能满足低铍和不损失
选区激光熔化(SLM)是以粉末材料为基础的一种增材制造技术。铺粉工艺是整个打印流程的第一步,也是后续激光扫描的基础。粉末性质很大程度上影响了粉末层质量,进而影响最终产品质量。因此,为了提高粉末层质量以及了解更多铺粉机理,本文采用离散元(DEM)与计算流体力学(CFD)研究了粉末层成形过程及其对熔道质量的影响。主要研究内容如下:(1)首先,以成形区粗糙表面作为新的铺粉基板,研究了铺粉过程中成形区的表