金属粉末激光熔覆成形的基础试验与模拟

论文摘要

在不需任何模具的情况下,激光熔覆成形技术可以制造出多种材料任意复杂形状零件,缩短产品的制造周期,降低生产成本,增强产品竞争优势,特别有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产。金属粉末激光熔覆成形不需要外力,且激光束能量集中具有良好的可控性,减少了现有方法工序复杂等不足,但是由于熔覆层质量的不稳定等缺陷,与实际的应用还有很大的差距,需要进一步研究。为了促进激光熔覆技术的发展,针对激光熔覆的基础理论、熔覆成形的工艺控制、质量和温度控制等方面,本文所做工作和取得结果如下:(1)对激光熔覆过程进行理论分析。分析了激光熔覆过程中金属粉末材料与激光的相互作用、能量在金属粉末中的传导、金属粉末的熔化成形过程以及激光熔覆表面形貌,加深了对激光熔覆成形过程的认识;合理简化热传导方程及边界条件,求解了激光熔覆过程中材料熔化和汽化的功率密度极值分别为1.31×10~3W/mm~2和3.98×10~3W/mm~2。(2)采用JK701型Nd:YAG固体脉冲激光器进行Ni60合金粉末激光熔覆成形的试验研究。确定工艺参数范围,通过单因素试验法研究不同激光工艺参数对熔覆层单道几何尺寸的影响规律,从而优化了工艺参数范围,然后通过正交试验找出一组最优的工艺参数:激光功率80W,扫描速度100mm/min,离焦量8mm,脉宽3ms,频率25Hz。利用这组参数和选择合理的搭接系数进行多道熔覆试验,最终加工出成形件。(3)综合考虑Ni60合金粉末激光熔覆试验熔覆层的宽度、高度和表面质量,选用最优参数下所得的单道和多道熔覆件作为检测样件,并对熔覆层质量进行了全面的检测和分析(包括表面形貌、金相检测、XRD检测、硬度检测),结果表明熔覆层组织致密,强度和硬度满足要求。(4)建立Ni60合金粉末激光熔覆成形温度场三维模型并进行模拟计算。通过模拟计算可知成形过程中实时温度变化,激光熔覆是快速熔化和快速凝固的过程,Ni60合金粉末经激光熔覆后与基体呈良好的冶金结合,有限元计算结果与试验测量结果吻合较好,从而为激光熔覆成形试验提供了理论和技术支持。本文工作为激光熔覆快速成形的实际应用提供了理论与试验的依据,论文提出了激光工艺参数的选择方法及激光熔覆工艺所采用的激光能量密度是否合理的重要判据h/H不能超过1,即熔覆层的重熔深度不能超过熔覆层的高度,对激光熔覆成形的实际应用具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 激光熔覆技术的基体材料和熔覆材料
• 1.1.2 激光熔覆技术的特点
• 1.1.3 激光熔覆技术的应用
• 1.2 激光熔覆成形的国内外研究现状
• 1.3 本文研究的内容
• 2 激光熔覆过程的理论分析
• 2.1 激光熔覆技术的基本原理
• 2.2 金属粉末材料与激光相互作用
• 2.2.1 金属粉末材料对激光能量的吸收
• 2.2.2 能量在金属粉末中的传导
• 2.2.3 金属粉末的熔化成形过程
• 2.3 金属粉末激光熔覆层的表面形貌
• 2.4 金属粉末激光熔覆功率密度极值的计算
• 2.5 本章小结
• 3 金属粉末激光熔覆的试验研究
• 3.1 试验条件
• 3.1.1 试验设备和装置
• 3.1.2 检测条件
• 3.1.3 试验材料
• 3.2 金属粉末激光熔覆成形过程中试验参数的选择
• 3.2.1 金属粉末激光熔覆成形的影响因素
• 3.2.2 试验参数的确定
• 3.3 试验方法
• 3.3.1 涂层的制备
• 3.3.2 试样熔覆试验
• 3.4 激光工艺参数对单道熔覆层几何尺寸的影响
• 3.4.1 激光功率对单道熔覆层几何尺寸的影响
• 3.4.2 扫描速度对单道熔覆层几何尺寸的影响
• 3.4.3 离焦量对单道熔覆层几何尺寸的影响
• 3.4.4 激光能量密度对单道熔覆层几何尺寸的影响
• 3.5 激光工艺参数对单道熔覆层精度的影响
• 3.6 激光工艺参数对单道熔覆层微观形貌的影响
• 3.7 金属粉末激光多道单层熔覆试验
• 3.7.1 搭接率的影响
• 3.7.2 多道搭接工艺对熔覆层表面平整度的影响
• 3.8 本章小结
• 4 激光熔覆层质量的检测及分析
• 4.1 表面形貌分析
• 4.1.1 涂覆层与基体的结合
• 4.1.2 熔覆层与基体的结合
• 4.1.3 熔覆层与熔覆层的结合
• 4.2 金相检测
• 4.3 物相分析
• 4.4 显微硬度检测
• 4.5 本章小结
• 5 金属粉末激光熔覆成形过程的温度场数值模拟
• 5.1 激光熔覆传热学基本理论
• 5.1.1 传热的基本方式
• 5.1.2 有限元基本方程
• 5.1.3 边界条件
• 5.2 激光熔覆数学模型
• 5.2.1 激光熔覆模型的简化
• 5.2.2 单元的选择与处理
• 5.2.3 几何模型和网格的划分
• 5.2.4 材料性能参数的选取与修正
• 5.2.5 相变潜热的处理
• 5.2.6 激光热源的时空模型建立
• 5.2.7 Ni60合金粉末吸收系数的确定
• 5.2.8 初始条件和边界条件的确定
• 5.2.9 时间步长的选取
• 5.2.10 ANSYS运行环境的设置
• 5.3 有限元仿真流程图
• 5.4 模拟结果与分析
• 5.4.1 等温线分布云图
• 5.4.2 温度随位置变化关系
• 5.4.3 线上温度随时间变化关系
• 5.4.4 点的温度随时间变化关系
• 5.4.5 模拟结果与试验结果的比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢