选择性激光熔化成形多孔结构参数化设计方法与性能研究

来源 :重庆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ppt20041
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多孔结构作为轻量化设计手段之一,在航空航天、汽车模具、医疗行业等领域被广泛应用。近年来,研究者不断探索新的多孔结构设计方法,其中对功能梯度多孔结构的研究最多,该结构可以通过体积分数梯度变化来实现对其性能的控制。因此,本文提出一种参数化的多孔结构设计方法,为后续更多多孔的研究提供新的思路。以选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)为代表的增材制造技术不仅能够很好的成形多孔结构的细节形貌并且打印出来的零件性能更优,从而成为研究多孔结构的重要工具。另外多孔结构性能的研究必然涉及到实验材料的选取,其中钛合金材料性能好并且应用范围广,因此本文的研究内容将在此材料基础上展开。本文以Ti6Al4V合金性能的研究为基础,以金刚石晶胞为原型的点阵结构为研究对象,通过实验手段对设计方法、Ti6Al4V合金多孔样件力学性能等进行研究。探究了SLM成形Ti6Al4V合金的性能。Ti6Al4V合金的粉末特性与成形件的性能决定着点阵多孔的成形质量。经过SLM成形,Ti6Al4V制件的粗糙度为3-5μm之间,致密度为4.44g/(88)3。在此基础上设计了Ti6Al4V拉伸实验,采用不同的热处理方式探究其力学性能。实验结果表明,实验材料Ti6Al4V弹性模量达到115GPa,成形质量与强度较好,另外拉伸件组织发生相变后的力学性能相对于相变前的力学强度出现下降而断裂延伸率却出现提升。分析金刚石原型晶胞的结构特点,引入截面为六边形支柱金刚石多孔模型,解析该多孔结构的宏观构型以及宏观构型在空间的几何特点,提出基于宏观结构特征点的参数化建模方法。研究该点阵结构最小单元内相交节点的四根杆的位置关系,并利用数学方法求得整个晶胞内各个特征点的坐标,确定宏观结构的空间几何关系,进而用Matlab软件实现多孔结构的参数化建模,最终推导出单胞体积分数参数化表达式。基于单轴压缩实验,选取三种不同的Ti6Al4V合金多孔样件作为研究对象,在2.0mm/s的压缩速度下检测多孔样件的力学性能,并借助压缩破坏过程分析相同单元尺寸而不同体积分数多孔结构的破坏行为和机理。实验表明,该种多孔结构存在层层塌陷与45°剪切两种破坏行为。采取650℃的惰性气体环境下保温120分钟并随炉冷却的热处理工艺,进行去应力退火。对比分析热处理前后的多孔样件的压缩性能,热处理工艺对多孔结构的弹性模量与变形机理并没有太大影响,但对极限强度、平台应力与能量吸收等力学性能影响较大。其中多孔样件的极限强度、能量吸收能力与应力跌落系数均降低,而平台应力的变化并不一致。
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