近α钛合金粉末选择性激光熔化成形研究

利用光学显微镜、扫描电镜等手段分析了选择性激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）钛合金成形单道、单层及块体成形规律。采用不同激光功率与扫描速度的组合进行成形,研究了激光功率、扫描速度对单道熔池形貌及宽度的影响规律;通过单层试验,研究了扫描间距与熔池形貌的关系;通过块体试验,研究了致密度与线能量密度的关系,确定了最优工艺窗口。     

激光选区熔化关键工艺参数对热物理过程的影响

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)采用激光束将金属粉末等分层熔融成形,在制造业中具有重要价值。然而成形过程中的热物理现象及各工艺参数对热物理过程的影响有待进一步研究。在综合考虑SLM成形过程中材料相变、粉体-实体不可逆转变等过程的基础上,建立了SLM成形316L不锈钢的多道扫描温度场数值模拟模型。研究了激光功率、扫描速率和激光束有效直径对SLM温度场、熔融时间、冷却速率和熔池尺寸等的影响,并通过实验验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明：熔融时间易受激光功率和扫描速率的影响,而最大冷却速率更易受激光束有效直径的影响。激光功率较低或扫描速率较大时,熔池尺寸较小,易形成孔穴类缺陷;激光束有效直径对熔池尺寸影响较小。随着激光功率增加,熔池稳定性先无确定变化趋势后增加;随着扫描速率增加,熔池稳定性不断降低;激光束有效直径对熔池稳定性的影响不确定。实验结果与数值模拟结果基本一致,研究结果可为SLM工艺参数调整与优化提供参考。     

激光熔池中物理输运过程研究

激光熔池中存在传热、对流和传质3种主要的物理输运过程，直接决定激光加工的工艺质量，针对这一问题建立了激光池中输运过程的三维数值计算模型，开发了新的有限差分方法和计算机程序，完成了三维流场温度场的计算机计算模拟，讨论了激光束形状、功率对材料表面张力梯度等参数的影响，并从实验上观察到了对流图案。     

2A16铝合金TIG焊熔池模拟

通过FLUENT软件进行二次开发,针对2A16铝合金TIG焊接过程,建立移动焊接熔池模型,考虑了表面张力、浮力、电磁力等对熔池流动的影响,模拟分析不同焊接电流条件下,熔池温度场和流场变化情况,以及熔池形貌变化。模拟结果直观显示焊接熔池形貌、温度场、流场分布状况,熔池流场分为两部分,在熔池表层,金属液由中间流向边缘,熔池底部金属液有边缘流向中间,熔池焊接进行一段时间后达到准稳态,温度场关于焊缝近似对称分布,焊接熔池内部传热方式以对流传热为主,随焊接电流的增加,熔深增加,熔宽略有增加。     

液相对流运动对中等尺度池火燃烧速率的影响

为分析液相对流运动对中等尺度池火燃烧速率的影响,对池火的液相区域进行研究。采用基于气液双向耦合的三维数值模型对池火进行预测,使用大涡模拟方法求解气相区域;通过直接数值模拟求解液相流动,同时考虑浮力效应和马兰戈尼效应;使用共轭传热方法及蒸发模型求解气液两相间的传热传质。用不同燃油池直径、燃油厚度以及燃油种类的池火实验对模型进行验证。研究结果表明：提出的模型能够准确预测中等尺度池火的燃烧速率,预测误差低于3%;在池火发展阶段,忽略马兰戈尼效应和浮力效应导致液相最大流速下降34.3%,液面温差增大70.1%,燃烧速率预测误差增加11.2%;在池火稳定燃烧阶段,浮力效应及马兰戈尼效应对瞬时燃烧速率的影响较小;随着油池直径的增加和深度的降低,浮力效应对燃烧速率的影响逐渐降低;考虑薄层油池液面的下降过程因素能够降低19.2%的燃烧速率预测误差。数值模拟中,考虑液相对流运动及液面下降过程有助于提高中等尺度池火燃烧速率的预测精度。     

钛粉SLM成型特性的研究

实验研究Ti粉在选择性激光熔化(SLM)工艺成型过程中的成形特性.通过单道实验确定最佳激光功率、扫描速度,单层实验确定扫描间距、扫描策略,最后通过块体成形实验确定铺粉层厚.实验得到的最佳工艺参数范围为,激光功率:80~100 W;扫描速度:20~60mm/s;扫描方式:跳转变向;扫描间距:0.09~0.12mm;铺粉层厚:0.05~0.1mm.     

石蜡相变蓄热过程数值模拟

相变材料（PCM）相变过程的传热特性对潜热储存过程的有重要的影响．对一种圆环形柱体石蜡相变蓄热材料,分别建立了忽略液相自然对流和考虑液相自然对流相变过程的数学模型,采用FLUENT软件对其蓄热熔化过程进行数值模拟,获得石蜡熔化过程温度场分布、熔化时间以及相界面移动规律,并数值计算了石蜡水平放置和竖直放置时,熔化过程的熔化时间和温度分布．对比两种模型的模拟结果表明,当石蜡材料厚度大于40mm,熔化过程中液相中自然对流作用对熔化过程有较大的影响．     

6061铝合金表面激光熔覆温度场的仿真模拟

利用连续波Nd:YAG固体激光在6061铝合金表面激光熔覆SiC陶瓷粉末，采用ANSYS有限元软件对6061铝合金激光熔覆过程中热量传递及温度场分布进行模拟，在分析过程中采用三维单元，并考虑了材料热物性的非线性及对流和辐射的边界条件，建立了有限元模型，得出了熔覆过程中试样表面的温度分布模拟图.结果表明，温度场模拟等温线呈椭圆形，在移动热源的前方等温线密集，温度梯度较大，热源后方的等温线稀疏，温度梯度较小，熔池内最高温度与激光扫描速度、光斑半径均成反比，与激光功率成正比.模拟结果为陶瓷金属基复合材料激光熔覆工艺参数的优化提供了理论依据.     

脉冲熔化极氩弧焊熔池自由表面波动行为的数值模拟

研究了熔滴过渡频率为50Hz的脉冲熔化极氩弧焊接(GMAW-P)过程中熔滴冲击在熔池自由表面上引起的动态波动行为。利用波动理论建立了熔滴冲击在熔池自由表面上形成的波动的瞬态数值模型,推导出了控制方程并给出了初始条件和边界条件,编制程序进行了数值计算,得到了熔池自由表面的位移和速度的动态变化,以及波动的平均传播速度。研究结果表明,熔池波动的最大波幅为2.3mm,能够引起电弧对熔池热输入的极大改变。波动的持续周期为0.008s,连续的2次熔滴冲击在熔池自由表面上引起的波动不会导致波的干涉和谐振。波的平均传播速度为1.20m.s-1,波动能够促进熔池前部的熔化,而对尾部的焊道波纹成形无影响。实验结果与模拟结果的对比表明,熔池自由表面形成波动的持续周期和最大波幅与实测值吻合良好,而波的传播速度有少许差别。     

SiC_p/AlSi10Mg激光选区熔化成形组织及性能研究

为研究激光选区熔化(SLM)成形工艺参数(激光功率和扫描速度)对SiC_p/AlSi10Mg致密度和机械性能的影响规律,通过对SiC_p/AlSi10Mg复合材料进行SLM成形,采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察SiC_p/AlSi10Mg复合材料显微组织及形貌,采用阿基米德排水法测试其致密度,同时对成形件的显微硬度进行分析。研究结果表明:所制备试样中SiC增强颗粒分布较为均匀,并与基体结合紧密。获得的SiC_p/AlSi10Mg成形件最高致密度可达到96.54%,其SLM的表面硬度远高于铸件标准;激光功率作为影响材料微观组织及力学性能的因素之一,决定了能量密度(η)的大小,当η达到48J·mm~(-3)时,成形试样的显微硬度平均值为240.06HV。研究为SLM成形SiC_p/AlSi10Mg复合材料在航天和空间领域的应用提供了理论基础和实验依据。     

铝合金薄板电子束穿透焊熔池的数值模拟

为有效地控制电子束焊接后的焊缝成形,得到符合要求的焊接结构,本文基于电子束焊接熔池物理过程的分析,使用有限体积法(FVM)数值模拟软件Fluent,对2mm厚的2219铝合金电子束穿透焊的温度场和流场进行数值模拟,研究了电子束穿透焊时熔池的流动行为及规律.模拟结果表明,电子束焊接形成穿透型匙孔时,熔池中液态金属的流速大小和方向迅速发生改变,最大流速可以达到10 m/s;产生的金属蒸汽反冲压力会使熔池剧烈震荡,熔池中远离匙孔的液态金属在Marangoni对流的驱动下,使熔池上、下两部分形成了较中间部分更长、更不稳定的拖尾,同时促进了熔池宽度的增加;熔池宽度和熔池拖尾长度分别在35 ms、90 ms左右达到了稳定.模拟焊接熔池凝固后,正面焊缝有一定的余高,背面焊缝有一定的收缩,其表面焊缝形态与实际焊缝形态吻合良好.此外,通过对熔池中液态金属的流速分析,还可以得出结论:金属蒸汽反冲压力对熔池的驱动作用远大于重力和表面张力的影响.     

连续/脉冲复合激光光束辐照铝靶材的热特性研究

基于Comsol multiphysics5.0软件对连续/脉冲复合激光光束辐照铝靶材的热作用特性进行了仿真计算,得到了脉冲激光相对连续激光辐照之间的时间延时对连续/脉冲复合激光作用铝靶材的温度时间演化影响。研究结果表明,相对延时0.4s的连续/脉冲复合激光作用条件下,铝靶材表面温度最高达到1932K,熔化深度和熔池半径最大分别为828mm和1.66mm。在相同激光聚焦条件下,达到相同温度和熔化深度,连续/脉冲复合激光需要的激光总能量均低于单一连续激光作用能量。研究结果对连续/脉冲复合激光用于提高激光加工效率具有重要意义。     

选区激光熔化钴铬合金工艺

主要对单层钴铬合金SLM成型工艺进行研究,讨论了激光功率和扫描速度对于单道熔道宽度、形貌的影响及熔道搭接率对于单层多道成型表面形貌的影响,确定合理的成型工艺选择范围.研究发现:线能量φ对熔道成型质量和熔池宽度d_m具有影响,当1.22 J/mmφ2.33 J/mm时可以获得连续规则、无粉区范围极小的熔道;通过优化的工艺参数获得了线能量与熔宽的稳定拟合关系,为单层多道成型提供了数据支持;搭接率为35%时,相邻熔道之间搭接紧密,重熔部分的膨胀高度合理,使单层多道成型表面粗糙度最低为5μm,可以获得光滑平整的表面.     

Synthesis of Titanium Carbide Particle in Laser Melted-pool in situ

The titanium carbide phase was synthesized in laser melted-pool in situ as the reinforced particles of nickel based composite coating on Ti-6 Al-4 V alloy surface using the nickel and graphite blending powder by laser cladding. The microstructure investigation showed that the petals-shaped particles and granular particles were two main morphology of titanium carbide particles. And a few spiral-shaped titanium carbide pattern and eutectic titanium carbide appeared on the cross-sections of the coating. The spiral-shaped titanium carbide pattern composed of some slender arc-shape titanium carbide particles and the eutectic titanium carbide was fine. The morphology and distribution of the spiral-shaped titanium carbide patterns and eutectic titanium carbide confirmed that their growth mechanism was the dissolution-precipitation mechanism and was affected by the convection behavior of the laser melted pool. The spiral-shaped titanium carbide pattern would precipitate out the high-temperature melts under high-speed convection. The eutectic titanium carbide would precipitate out when the melts stopped convection or dropped to eutectic temperature.     

Effects of parameters on formation and microstructure of surface composite layer prepared by lost foam casting technique

Surface composite layer was fabricated on the AZ91D substrate using the lost foam casting (LFC) process. The pre-coating layer reacted with melt substrate and formed the composite layer, and the coating was mainly consist of alloying aluminum powder and low-temperature glass powder (PbO-ZnO-Na2O). The vacuum degree, pouring temperature, mold filling process of melt, and pre-coating thickness played an important role during the formation process of composite layer. The results show that surface morphology of composite layer can be divided into three categories: alloying effect of bad and good ceramic layer, alloying effect of good and bad ceramic layer, composite layer of good quality. The main reason for bad alloying layer is that alloying pre-coating thickness is so thin that it is scoured easily and involved in the melt, in addition, it is difficult for melt to infiltrate into the alloying coating owing to the surface tension of coating when the vacuum degree is excessively low. Bad ceramic layer is because of somewhat lower pouring temperature and the thicker alloying coating, due to the absorption of heat from the melt, making low temperature glass powder pre-coating layer fuse inadequate. Thus, to get good quality composite layer, the process conditions must be appropriate, the result shows that the optimum process parameters are as follows: at a pouring temperature of 800 ℃, vacuum degree of -0.06 MPa, alloying pre-coating thickness of 0.4 mm, and low glass powder pre-coating layer thickness of 1 mm.     

3-D transient numerical simulation on the process of laser cladding by powder feeding

A 3-D transient mathematical model for laser cladding by powder feeding was developed to examine the macroscopic heat and momentum transport during the process, based on which a novel method for determining the configuration and thickness of cladding layer was presented. By using Lambert-Beer theorem and Mie‘s theory, the interaction between powder stream and laser beam was treated to evoke their subtle effects on heat transfer and fluid flow in laser molten pool. The numerical study was performed in a co-ordinate system moving with the laser at a constant scanning speed. A fixed grid enthalpy-porosity approach was used,which predicted the evolutionary development of the laser molten pool. The commercial software PHOENICS, to which several modules were appended, was used to accomplish the simulation. The results obtained by the simulation were coincident with those measured in experiment basically.     

长脉冲激光辐照单晶硅的表面形态

针对长脉冲激光在空气中对单晶硅进行辐照所产生的表面形态问题,研究了不同能量密度的激光辐照后单晶硅的表面形态变化及其形成机理.结果表明:单晶硅表面的涟漪波纹状微结构与光的散射和干涉有关;随着激光能量密度的增加,单晶硅表面出现解理现象,其主要是由较高的温度梯度而引起的应力所致;熔融和汽化时的单晶硅表面形态主要是由载流子动力及等离子体波引起的;激光辐照单晶硅中心点温度曲线在单晶硅熔点和沸点附近时出现平台期,这是由于材料在熔融和气化过程中要吸收潜热;激光能量密度越大,单晶硅表面的损伤面积越大.     

Heat transfer for Marangoni convection over a vapor-liquid interface due to an imposed temperature gradient

A similarity analysis for Marangoni convection induced flow over a vapor-liquid interface due to an imposed temperature gradient was carried out. The analysis assumes that the surface tension varies linearly with temperature but the temperature variation is a power law function of the location. The similarity solutions are presented numerically and the associated transfer characteristics are discussed.