钛合金激光沉积成形过程热行为的研究

论文摘要

激光金属沉积成形技术是近年来在激光熔覆技术和快速成形技术基础上发展起来的一种新技术，通过激光熔化基体和同步送来的粉末，使粉末和基体形成冶金结合，并且在基体上逐层沉积成致密的零件，具有集成度高、柔性好、可加工材料广泛、不污染环境等优点，因此受到了人们广泛关注。本文对钛合金激光粉末沉积成形过程热行为进行研究，采用有限元数值模拟的方法分析温度场和应力场的分布规律，对激光金属沉积成形技术的发展有非常重要的意义。本文以ABAQUS有限元软件作为分析工具，对钛合金激光粉末沉积成形过程的温度场和应力场进行了动态数值模拟；阐述了激光、金属粉末和基体三者之间的相互关系。完成了以下内容：1．建立了激光金属沉积成形过程的数学模型和有限元模型。分别对激光金属沉积成形有限元模拟中的热源模型、传热模型、边界条件及应力应变关系进行了分析。2．建立了单道钛合金激光沉积成形过程温度场和应力场有限元模拟的方法。对单道激光粉末沉积成形过程温度场和应力场进行了模拟计算。同时，对温度场和应力场的分布规律进行了分析。3．建立了多道钛合金激光粉末沉积成形过程数值模拟模型。在建立模型时考虑理想搭接率情况下沉积层形貌。利用该模型对成形过程温度场、温度梯度以及成形后残余应力场的分布规律进行了研究。4．最后，基于实验室现有的激光金属快速成形系统，进行钛合金激光沉积成形实验，观察试件的形貌，并通过实验对本文所建立的三维激光沉积成形过程温度场的动态模型进行了验证。通过数值模拟与实验，最终得到一组最优工艺参数组合，以指导后续模拟和实际生产。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 钛合金综述
• 1.2 激光金属沉积成形技术简介
• 1.3 激光金属沉积成形数值模拟的国内外研究现状
• 1.3.1 国外激光金属沉积成形技术数值模拟的研究进展
• 1.3.2 国内激光金属沉积成形技术数值模拟的研究进展
• 1.4 研究意义
• 1.5 论文的研究内容及方案
• 第2章 钛合金激光粉末沉积成形过程热行为有限元模型
• 2.1 激光金属粉末沉积成形过程中激光、粉末、基体的相互作用
• 2.1.1 激光与金属粉末的相互作用
• 2.1.2 金属粉末与基体的相互作用
• 2.2 钛合金激光沉积成形过程数学模型和有限元模型的建立
• 2.2.1 热源模型
• 2.2.2 传热模型
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.4 材料的热物性能参数
• 2.3 本章小结
• 第3章 钛合金激光沉积成形过程热行为的有限元数值模拟
• 3.1 计算模型的建立
• 3.1.1 模型假设
• 3.1.2 前处理
• 3.1.3 后处理
• 3.2 钛合金激光金属沉积成形温度场的有限元模拟
• 3.2.1 单道钛合金激光沉积成形过程温度场的数值模拟结果分析
• 3.2.2 单道钛合金激光沉积成形过程应力场的数值模拟结果分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 各因素对钛合金激光沉积成形过程热行为影响的研究
• 4.1 激光工艺参数对温度场和应力场分布的影响
• 4.1.1 数值模拟模型
• 4.1.2 单元生死的实现
• 4.1.3 激光功率的影响
• 4.1.4 激光扫描速度的影响
• 4.2 不同的预热温度对温度场和应力场的影响
• 4.2.1 数值模拟模型
• 4.2.2 模拟结果与分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 钛合金激光沉积成形过程热行为实验研究
• 5.1 激光快速成形系统
• 5.1.1 激光器
• 5.1.2 惰性气体动态保护系统
• 5.1.3 送粉器
• 5.1.4 送粉嘴
• 5.2 实验方案
• 5.3 实验结果分析
• 5.3.1 不同激光功率对沉积层宏观形貌的影响
• 5.3.2 不同粉末条件下沉积成形试件宏观形貌
• 5.3.3 预热温度对熔覆层质量的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文及专利申请情况