激光熔覆送粉喷嘴的优化设计及制造

论文摘要

激光熔覆是一种新的材料加工与表面改性技术,该技术可以在低成本钢上制成高性能表面,代替大量的高级合金,以节约贵重、稀有的战略金属,提高材料的综合性能,实现对重大零件的快速绿色修复。经过多年的研究开发,目前,该项技术己经具有了较高的技术水平和相当的应用规模。送粉喷嘴是激光熔覆系统的关键部件之一,其对激光熔覆质量有非常重要的影响,同轴送粉喷嘴因具有送粉流各向同性并且适宜于3D熔覆的特点而成为目前研究的热点,深入开展三维同轴送粉喷嘴的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本课题主要是围绕载气式激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计及制造开展的工作。首先,按照激光熔覆送粉喷嘴的功能要求,综合机械设计的相关理论知识,对其结构进行创新设计,并利用三维造型软件Pro/E绘制出了一种免装配结构的激光熔覆送粉喷嘴的参数化几何模型。设计了一个正交试验,并运用多物理场耦合分析软件Comsol Multiphysics对设计出的新型喷嘴的载粉气流进行CFD仿真。统计分析每组试验的结果,主要研究激光熔覆过程中送粉喷嘴的粉末流参数(聚焦焦距和聚焦半径)在送粉通道轴向锥角、激光出光口半径和出粉口宽度3个因素的不同水平组合下的变化规律,得出了如下两个重要结论:(1)喷嘴设计的最优尺寸组合为送粉通道与喷嘴轴向的锥角25°,激光出光口半径2.2mm,出粉口宽度1.3mm。(2)影响粉末流汇聚特性的因素的主次顺序依次为出粉口宽度、送粉通道轴向锥角、激光出光口半径。最后,利用选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)的方法快速成型出经结构优化和尺寸优化的免装配激光熔覆送粉喷嘴,对其后处理以后进行了相关性能测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 激光熔覆技术概述
• 1.1.1 激光熔覆技术的原理
• 1.1.2 激光熔覆技术的特点及应用
• 1.2 激光熔覆送粉系统
• 1.2.1 粉末添加方式及送粉喷嘴
• 1.2.2 送粉器
• 1.3 激光熔覆喷嘴的国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本课题研究的内容及意义
• 第二章 激光熔覆送粉喷嘴的设计
• 2.1 设计依据
• 2.1.1 出光部分依据
• 2.1.2 喷嘴应具备冷却装置
• 2.1.3 光粉相互作用机理
• 2.1.4 喷嘴应具备良好的汇聚性
• 2.2 同轴送粉喷嘴的设计
• 2.2.1 结构设计
• 2.2.2 尺寸设计
• 2.3 主要功能分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 载粉气流的CFD 仿真
• 3.1 计算流体力学（CFD）理论基础
• 3.1.1 流体的性质
• 3.1.2 流体的模型
• 3.1.3 不可压缩流体的控制方程
• 3.2 COMSOL Multiphysics 软件简介
• 3.3 正交试验方案设计
• 3.4 实验仿真
• 3.4.1 计算模型的建立
• 3.4.2 控制方程及边界条件的设定
• 3.4.3 网格划分
• 3.4.4 仿真结果分析
• 3.5 正交试验结果分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 SLM 法成型激光熔覆喷嘴
• 4.1 选区激光熔化
• 4.1.1 选区激光熔化的原理
• 4.1.2 选区激光熔化的特点
• 4.2 成型设备及成型材料
• 4.2.1 Dimetal-280 成型设备
• 4.2.2 成型材料选择
• 4.3 成型工艺控制
• 4.3.1 层间互错扫描策略
• 4.3.2 喷嘴成型的工艺参数
• 4.3.3 喷嘴支撑的添加
• 4.4 喷嘴后处理及测试
• 4.4.1 后处理及力学性能测试
• 4.4.2 冷却腔密封性能测试
• 4.5 本章小结
• 总结与展望
• 1.主要结论
• 2.研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 附表