基于光内送粉的激光熔覆快速制造机理与工艺研究

论文摘要

针对现有的激光熔覆快速制造过程中偏置侧向送粉和多粉管光外同轴送粉熔覆成形工艺的不足,本文提出了一种“光束中空,粉管居中,光内送粉”的新型激光熔覆快速制造工艺,可应用于金属零件激光熔覆直接制造领域。本文完成的主要工作和取得的成果如下:1.设计了一套基于光内送粉的激光熔覆快速制造系统,该系统将传统的圆锥形聚焦激光束变换为中空的锥形聚焦激光束,将粉末送入中空部分,实现光粉同轴;对所设计的送粉系统开展了性能分析,结果表明,粉末利用率高达60%-75%,比现有的多粉管光外同轴送粉的粉末利用率提高50%以上。2.以作用区域的整体粉末为研究对象,建立了光内同轴送粉成形工艺下的激光束与粉末相互作用的粉末遮光率和粉末颗粒温升简化数学模型,分析了激光利用率;所建立的模型可有效指导送粉喷头的结构优化设计和成形过程仿真。3.详细研究了光内送粉试验关键工艺参数,如光束输出模式、离焦量、激光功率密度、送粉量和扫描速度等对熔覆质量的影响;在多模激光束模式下,探索了不同工艺参数与熔覆层质量的关系,为多层熔覆薄壁墙成形试验打下良好的基础。4.建立了光内送粉激光熔覆快速制造过程中温度场和应力场有限元分析模型,研究了光内送粉熔覆过程中工件的温度分布和应力分布,为控制熔覆层微观质量和预防裂纹产生提供理论指导;设计了一套熔池温度控制系统,可以有效防止热积累,抑制裂纹效果显著。5.在理论分析和实验研究的基础上,开展了光内同轴送粉激光熔覆快速制造的应用基础研究,探索了变方向、变截面、变斑等工艺在金属典型零件中的应用。并结合激光重熔以获得较好的零件表面质量。研究结果表明,利用光内送粉激光熔覆快速制造系统进行金属直接制造,可以提高粉末利用率和成形质量;与原有成形方式相比,成形件显微组织更致密无缺陷,成形过程稳定可靠,表面粗糙度大大降低,无“上粗下细”现象,侧面几乎没有未熔颗粒。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 激光熔覆快速制造技术的研究现状
• 1.1.1 LCRM 技术的原理和系统组成
• 1.1.2 LCRM 研究现状
• 1.2 送粉技术现状及存在的问题
• 1.2.1 送粉方式及其装置
• 1.2.2 目前送粉技术存在的问题
• 1.3 本文研究意义和主要内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 内容安排
• 1.4 本章小结
• 第二章 光内送粉LCRM 系统的设计
• 2.1 光内送粉LCRM 系统组成
• 2.2 送粉方式的选择
• 2.2.1 刮板式重力送粉
• 2.2.2 载气式送粉器
• 2.3 送粉系统的结构设计
• 2.3.1 光路变换系统的设计
• 2.3.2 喷头的设计要求及结构设计
• 2.3.3 送粉喷嘴的选用
• 2.4 光内同轴载气送粉系统性能实验
• 2.4.1 送粉效果
• 2.4.2 送粉速度的影响
• 2.4.3 保护气的作用
• 2.4.4 载气流量的影响
• 2.4.5 粉末利用率分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 光内送粉的光粉耦合过程分析
• 3.1 激光束焦点位置的确定
• 3.2 激光束与粉末流的耦合过程
• 3.3 粉末和激光的作用
• 3.3.1 遮光率R 的数学模型
• 3.3.2 Fe 基合金粉末颗粒吸收激光束能量的温升模型
• 3.4 能量利用率的分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 光内送粉LCRM 成形工艺研究
• 4.1 实验基础
• 4.1.1 试验装置及条件
• 4.1.2 激光光斑形状及直径
• 4.2 激光模式对成形质量的影响
• 4.2.1 激光模式种类及其特点
• 4.2.2 基模激光模式对成形质量的影响
• 4.3 工艺参数对单层熔覆成形质量的影响
• 4.3.1 激光功率对熔覆层形貌的影响
• 4.3.2 扫描速度对熔覆层形貌的影响
• 4.3.3 送粉速度对熔覆层形貌的影响
• 4.3.4 离焦量对熔覆层形貌的影响
• 4.3.5 工艺参数对微观组织的影响
• 4.3.6 工艺参数对显微硬度的影响
• 4.3.7 大离焦熔覆实验
• 4.4 多模光内同轴送粉多层堆积成形实验
• 4.4.1 熔覆层形貌分析
• 4.4.2 熔覆层微观组织分析
• 4.4.3 熔覆层显微硬度分析
• 4.4.4 熔覆层成分分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 光内送粉LCRM 温度场数值模拟
• 5.1 光内送粉LCRM 传热学基本理论
• 5.1.1 熔覆过程热传导方程
• 5.1.2 边界条件
• 5.1.3 相变潜热的处理
• 5.2 LCRM 温度场有限元模拟
• 5.2.1 熔覆层有限元模型的建立
• 5.2.2 熔覆层温度场计算流程
• 5.3 熔覆层温度场计算与实验结果的比较分析
• 5.3.1 温度测量系统
• 5.3.2 单道离焦扫描时的温度场
• 5.3.3 单道多层熔覆扫描时的温度场
• 5.4 本章小结
• 第六章 激光熔覆件的应力场分析与裂纹控制
• 6.1 熔覆层三维应力场有限元计算
• 6.1.1 熔覆层三维应力场计算流程
• 6.1.2 熔覆层三维应力场计算前处理过程
• 6.1.3 熔覆层三维应力场模拟计算结果
• 6.2 熔覆层应力实验结果与模拟计算结果的比较分析
• 6.2.1 单层熔覆时的应力场
• 6.2.2 多层熔覆时的应力场
• 6.3 裂纹产生的因素分析
• 6.3.1 熔覆层热应力的形成
• 6.3.2 多层熔覆圆环应力分析实验
• 6.4 通过熔池温度的控制消除裂纹的效果分析
• 6.4.1 温度控制系统的组成和原理
• 6.4.2 三维熔覆温度控制实验
• 6.4.3 消除裂纹的效果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 光内送粉应用实验研究
• 7.1 熔覆方向对典型件成形的影响
• 7.1.1 同方向熔覆的典型件成形
• 7.1.2 变方向熔覆的典型件成形
• 7.1.3 成形方向对熔覆质量的影响
• 7.2 变截面在熔覆制造中的应用
• 7.3 变斑在熔覆制造中的应用
• 7.4 激光重熔对零件表面质量的影响
• 7.5 本章小结
• 第八章 全文总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 在学期间的研究成果及发表的学术论文