激光烧结多孔金属的成形机理及实验研究

论文摘要

激光烧结快速成形技术因其取材广泛性、工艺灵活性,可用于制备具有新颖结构的多孔金属。但目前多孔金属激光烧结制备研究尚处于起步阶段,对其中涉及的孔结构形成与控制等基础理论,以及激光快速定向凝固过程中,温度梯度和凝固速率对显微组织的影响等均有待深入探讨。本文采用数值模拟、理论分析和实验研究相结合的方法,通过对多孔金属气孔形成机理的实验研究,获得相关基础理论用于指导多孔金属的激光制备。研究了激光定向凝固条件下气孔的形核机理及长大方式,获得了气泡非自发形核的热力学及动力学条件。结果表明,气孔的长大主要有两种方式:金属熔体中气体的析出和凝固界面处气孔的生长;而只有在凝固界面处析出的气体才能与固相一起长大,并形成规则的藕状多孔结构。通过对烧结熔池内气孔长大方向及速度的实验研究,获得了激光工艺参数与气孔生长方向及速度的关系。研究表明,可通过改变工艺参数,来控制气孔的生长,进而实现对多孔结构的控制。建立了孔隙率和孔间距的理论计算模型,并将实验数据与理论计算结果进行了比较。结果发现,利用本文建立的孔隙率计算模型,预测结果与实验值吻合良好。对激光烧结多孔不锈钢试样进行了显微硬度值的测量,定量分析了激光功率、扫描速率对显微硬度值的影响。对烧结试样进行了压缩性能测试,通过分析压缩过程中的变形机理,建立了多孔不锈钢压缩应力-应变的数学关系式。对试样进行了拉伸性能测试,获得了适用于多孔不锈钢的孔隙率与抗拉强度的应用公式,为优化激光工艺参数提供了有利依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 多孔金属材料概述
• 1.2 多孔金属材料的结构特征、性能及应用
• 1.2.1 结构特征
• 1.2.2 性能简述
• 1.2.3 应用
• 1.3 多孔金属材料的制备方法
• 1.3.1 铸造法
• 1.3.2 金属粉末烧结法
• 1.3.3 沉积法
• 1.3.4 其他方法
• 1.4 本课题研究的提出，内容及简介
• 1.4.1 多孔金属材料研究现状及发展趋势
• 1.4.2 激光烧结制备多孔金属的可行性分析
• 1.4.3 激光烧结技术的原理及特点
• 1.4.4 本课题研究的目的及内容
• 第二章 激光烧结制备多孔金属的成形机理
• 2.1 气泡的形核
• 2.1.1 气泡形核功
• 2.1.2 θ－ΔT－r′关系
• 2.1.3 形核率
• 2.2 气孔的生长方式
• 2.2.1 液相中的气体析出
• 2.2.2 凝固界面处的气孔生长
• 2.3 烧结池内藕状多孔结构的形成
• 2.3.1 温度场的分布
• 2.3.2 烧结池中气孔生长的一般规律
• 2.4 孔隙率及孔间距理论计算模型的建立
• 2.4.1 孔隙率理论模型的建立
• 2.4.2 孔间距理论模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 激光烧结多孔不锈钢的实验分析及验证
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 粉体制备
• 3.1.2 激光工艺
• 3.1.3 试样表征
• 3.1.4 成形机制
• 3.1.5 显微组织分析
• 3.2 孔隙率理论计算模型的实验验证
• 3.3 造孔剂对多孔结构的影响
• 3.3.1 造孔剂的选择
• 3.3.2 造孔剂含量对孔隙率的影响
• 3.4 液相中形成的气泡对多孔结构的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 多孔金属材料力学的检测模型及实验分析
• 4.1 激光烧结多孔不锈钢显微硬度分析
• 4.1.1 激光功率对多孔不锈钢显微硬度的影响
• 4.1.2 扫描速率对多孔不锈钢的显微硬度的影响
• 4.2 激光烧结多孔不锈钢的压缩变形分析
• 4.2.1 激光烧结多孔不锈钢压缩变形应力-应变曲线
• 4.2.2 压缩变形机理
• 4.2.3 压缩性能与孔隙率及激光工艺参数之间的关系
• 4.2.4 多孔不锈钢的压缩应力-应变关系式
• 4.3 多孔不锈钢抗拉强度与孔隙率间的关系式及实验分析
• 4.3.1 多孔不锈钢孔隙率与抗拉强度的关系
• 4.3.2 拉伸前后多孔不锈钢显微组织分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文