激光熔覆Ti/HA复合材料加工过程热—机械耦合分析与数值模拟

论文摘要

本文对Ti/HA熔覆过程进行了热-机械耦合分析,实现了对激光功率密度、送粉速度、扫描速度以及搭接率工艺参数优化,对构件热应力及残余应力分布进行分析,预测了可能开裂区域以及开裂方向。同时,对减小残余应力方法进行了对比讨论。假设熔覆层截面为椭圆,其体积只与送粉速度有关,通过尺寸修改以及迭代算法,求解出熔覆层真实形状。基于单道激光熔覆有限元模拟,求解出熔覆层宽度、高度、熔池深度和构件最高温度,实现对激光功率密度、送粉速度和扫描速度的优化选择。在模型中考虑了热流密度、对流、辐射、绝热等边界条件,同时也考虑了陶瓷材料高温分解,Ti金属相变潜热等因素对温度场的影响,通过与实验测量结果的对比,验证了数值模型的合理性。基于多道熔覆有限元模拟,对激光熔覆搭接率工艺参数进行了选优。以瞬态温度分布为基础,结合数值计算软件,求解出熔池界面。通过对熔池界面光滑性以及与基体搭接情况的研究,实现多种搭接率的选优,计算结果和实验结果吻合。基于热-机械耦合有限元分析,对构件热应力以及残余应力进行了分析,预测了可能开裂区域以及开裂方向。采用预热法和温差拉伸法,实现了降低残余应力的目的。为了深入了解熔覆过程中热应力分布以及残余应力的形成,通过建立理想简化模型,对熔覆层与基体材料特性不匹配因素进行研究讨论。结合构件残余应力分布情况,预测熔覆层有可能垂直于扫描方向开裂,以及熔覆层与基体有可能界面开裂。最后,通过预热法和温差拉伸法的模拟计算,提出几种可行的减小残余应力方法,从加工工艺方面,讨论降低残余应力的可行性和理想的Ti/HA熔覆效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 Ti/HA 材料激光熔覆介绍
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 目前存在的一些问题
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 激光熔覆热-机械分析理论基础
• 2.1 激光熔覆热传导理论概述
• 2.2 热弹塑性理论概述
• 3 基于单道模拟工艺参数选优
• 3.1 引言
• 3.2 有限元模拟若干问题及解决方法
• 3.3 选优判据
• 3.4 基于单道温度场模拟实现工艺参数选优
• 3.5 实验与计算结果对比
• 3.6 本章小结
• 4 基于多道模拟搭接率选优
• 4.1 引言
• 4.2 搭接率定义
• 4.3 选优判据
• 4.4 基于有限元计算实现搭接率选优
• 4.5 实验与计算结果对比
• 4.6 本章小结
• 5 残余应力分析
• 5.1 引言
• 5.2 激光熔覆残余应力问题
• 5.3 热-机械耦合分析方法
• 5.4 分析过程中需要注意的若干问题
• 5.5 减小残余应力的若干方法
• 5.6 热膨胀系数不配比引起界面应力分析
• 5.7 计算结果及分析
• 5.8 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献