同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律

激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流汇聚特性是影响零件成形质量和成形效率的重要因素,基于 DEM-CFD 耦合方法,开展三维同轴送粉喷嘴粉-气流场仿真分析,依据表征粉流汇聚特性的喷嘴中心轴向粉流分布浓度、焦点距离、 上焦点截面粉流分布浓度和单位距离粉流分布浓度等参数,设计单因素试验,在喷嘴结构不变的条件下,分析输粉气流速度、送粉速率和中心光路保护气速度对粉流分布的影响规律。 结果表明:输粉气流速度越大,焦点距离越小,轴向粉流分布浓度越小,上焦点截面粉流浓度分布直径越小,单位距离粉流分布浓度越大,粉流的集聚性越好;中心光路保护气速度对粉流焦点浓度影响较小,保护气速度越大,焦点距离越大,上焦点截面粉流浓度分布直径越小,单位距离粉流分布浓度增加,粉流的集聚性越好;送粉速率对焦点距离影响较小,送粉速率越大,喷嘴轴向粉流分布浓度越大,上焦点截面粉流浓度分布直径越大,单位距离粉流分布浓度出现先增大后减小的趋势。     

激光金属直接制造中工艺参数对粉末利用率影响的模拟研究

为了获得激光金属直接制造中工艺参数对金属粉末利用率的影响规律,建立了粒子被熔池吸收的物理模型,应用气固两相流理论对其模型的流场进行了数值模拟,采用FLUENT软件中的离散相模型中的欧拉-拉格朗日类中的颗粒轨道模型实现了粉末颗粒的跟踪,计算了流场中的粉末颗粒的浓度及速度分布规律.计算结果表明:随激光光斑直径、激光功率的增大和扫描速度的减小,粉末利用率会随之增大;随载气速度、送粉量及保护气流量的增加,粉末利用率呈现先增大后减小的趋势.所得结果对试验选择加工工艺参数具有参考价值.     

宽带光束与同轴粉末流耦合规律及熔覆层成形特征

利用高功率宽带平顶光束进行熔覆试验,采用高速摄像机和图像处理软件,建立了宽带光束-同轴粉末流耦合模型,研究了不同送粉器粉盘转速和载气流量下激光束与同轴粉末流的耦合特性和规律,并通过金相显微镜和体视显微镜分析不同光粉耦合形态下熔覆涂层的成形特征与规律,构建了光粉耦合特性与熔覆层成形的关系。结果表明:在载气流量不变的条件下,随粉盘转速增加,粉末流与激光束的耦合位置逐渐由宽带光束内变成宽带光束外,粉末流汇聚点焦距增大,汇聚直径先增大后保持不变;在基体处的区域由焦柱粉流区变为环状粉流区,熔覆层宽度略减小,高度和接触角增大,粉末利用率先增大后减小,稀释率减小。在粉盘转速不变的条件下,随载气流量增加,粉末流与激光束的耦合形态不变,粉末流位于宽带光束外,粉末流汇聚点焦距先增大后减小,汇聚直径先增大后保持不变;在基体处的区域由环状粉流区变为焦柱粉流区,熔覆层宽度先增大后减小,高度和接触角先增大后保持不变,粉末利用率先增大后减小,稀释率减小。当粉盘转速为1.2 r/min,载气流量为4 L/min时,能够获得较好的成形质量。     

激光熔积高温合金件形状特征的基础研究

进行了激光熔化沉积成形GH163高温合金粉末条状试样实验,研究了激光脉宽、激光重复频率、扫描速度、送粉速率四个工艺参数对条状试样熔宽和熔高的影响.试验发现,脉宽和频率对最终试样的熔宽和熔高都没有太大影响.送粉速率对熔宽没有显著影响,但对熔高的影响很大,随着送粉速率的提高,成形试样的熔高显著增大;随扫描速度的增大,熔宽和熔高均呈减小的趋势.     

送粉速度对激光熔覆CNTs-SiC/Ni基复合涂层组织与性能影响的研究

采用激光熔覆制备了CNTs-SiC/Ni复合涂层,研究了送粉速度对复合涂层微观结构和性能的影响。结果表明,随着送粉速度的增加,该涂层的组织先细小后粗大,涂层的硬度则先增大后减小,摩擦系数与磨损量先减小后增大。当送粉速度为30 g/min时,涂层组织细小、致密,涂层的硬度最高可达到429 HV0.2,比基体45钢提高了近1倍,磨损量最低为0.0144 g,摩擦系数最小为0.22。     

激光同轴送粉增材制造粉末束流关键特征表征与分析

粉末束流焦距和焦点位置处的粉末颗粒的空间分布是粉末束流的两个关键特征,对激光同轴送粉增材制造工艺特性影响较大. 利用高速摄像拍摄粉末束流的宏观形貌,以图像灰度处理技术为基础,建立了粉末束流焦距和焦点位置处粉末颗粒空间浓度分布表征方法,提出利用有效粉斑直径定量分析粉末束流的汇聚性,系统研究了载气流量、同轴保护气流量、送粉速率等主要工艺参数对粉末束流关键特征的影响规律. 结果表明,工艺参数的改变几乎不影响粉末束流焦点位置处粉末颗粒呈高斯分布这一规律;载气流量增加,粉末束流焦距变小,有效粉斑直径变大,粉末束流汇聚性变差;同轴保护气流量增加,粉末束流焦距变长,有效粉斑直径基本不变;送粉速率提高,粉末束流的焦距和有效粉斑直径变化均不大.     

齿轮钢表面激光熔覆Ni基涂层工艺参数优化

采用激光熔覆技术在18CrNiMo7-6齿轮钢表面制备Ni基涂层，研究激光功率、扫描速度和送粉率对Ni基涂层熔覆质量和微观组织的影响，建立激光熔覆工艺参数与涂层宏观尺寸、微观组织和显微硬度之间的关系。结果表明，随着激光功率的增大，涂层的熔高、熔宽、熔深增大，微观组织细化，显微硬度增大；随着扫描速度的增大，涂层熔高、熔宽、熔深减小，微观组织粗化，显微硬度减小；随着送粉率的增大，涂层的熔高增大，熔宽先增大后减小，熔深减小，涂层微观组织细化，显微硬度增大。以涂层宏观形貌、微观组织结构和显微硬度为涂层质量评估指标，优选得到的最佳工艺参数为：激光功率700 W,扫描速度2 mm/s,送粉率11.1 g/min。     

超音速等离子喷涂参数对粒子速度温度的影响

采用高效能超音速等离子喷涂系统,选用纯Al2O3粉末,研究了电功率、电流、电压、气体流量、送粉量对飞行粒子速度和温度的影响.研究结果表明:Al2O3粒子的温度、速度随功率的增大分别呈持续上升与先增大后下降的趋势;在相同功率时,电流对粒子速度、温度的影响大于电压的影响;加大主气流量,粒子速度和温度均先增大后减小;增大送粉量,粒子速度先增大后减小,而粒子温度则一直减小.最后结合涂层的形貌、孔隙率、显微硬度,优化出最佳的喷涂参数.     

TA15粉末激光成形基板应力影响因素的试验研究

为了研究TA15(Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr)粉末激光成形基板残余应力的影响因素,成形出19个不同工艺参数的试件,采用压痕法分别对其进行残余应力的测量,总结出激光功率、送粉速度、激光扫描速度、成形层数、扫描转角等参数对基板残余应力的影响。研究表明,随着激光功率的增大,基板残余应力数值随之增大,当功率高于1700 W时,基板残余应力开始减小;基板残余应力在送粉速度为0.5~1 g/min和1.5~2 g/min 2个区间内,表现出随着送粉速度的增大残余应力减小的情况,而在1~1.5 g/min区间内表现出相反的情况;基板残余应力随着扫描速度的增大呈现出先增大后减小的趋势;基板残余应力随成形层数的增加而递减;对于不同扫描转角的测试件,扫描转角为60°的情况下,基板残余应力值最小,而30°扫描转角情况下,基板残余应力值最大。     

宽带激光熔覆F305粉热有效利用率的分析

利用金相检测法和能量平衡方程,推导和计算了激光熔覆过程中单位时间激光热有效利用率,并分析了影响因素,结果表明,在相同的送粉速率条件下,激光热有效利用率随扫描速度的增大而增大;在相同的扫描速度５条件下,激光热有效利用率随送粉速度的增加而增大。     

三通道激光熔覆同轴送粉喷嘴气体速度场试验

在激光熔覆过程中,三通道同轴送粉喷嘴是关键部件,它利用惰性气体将金属粉末稳定地输送到熔池,同时形成保护流场,隔绝周围的空气。喷嘴气体流场对粉末的汇聚和高温区域的保护具有显著的作用,直接影响粉末利用率、金属材料性能和零件的成形精度。为了研究喷嘴保护流场特性,文中采用粒子图像测速(PIV)技术结合数值模拟计算,对自研的三通道同轴送粉喷嘴气体速度场分布进行了试验和分析。结果表明,喷嘴中心、内环和外环三个通道出口的气流速度一致时,喷嘴所形成的流场较为稳定,没有涡流存在。因此,粉末的汇聚性及对溶池的保护效果好;当外通道气流速度大于内通道时,在工件表面上出现旋涡,流场呈不稳定状态;随喷嘴与工件表面距离增加,有效保护范围减小。     

基于AMESim的机载导弹液压弹射机构动态特性研究

针对传统机载导弹弹射装置存在的问题,设计一种以蓄能器提供弹射流量、伺服阀作为核心控制元件的液压弹射机构。论述了液压弹射机构工作原理,利用AMESim软件建立其仿真模型。仿真结果表明:在弹射过程中,蓄能器气体腔容积、液压缸无杆端活塞面积与液压杆伸出速度成正相关,液压缸有杆端活塞面积与液压杆伸出速度成负相关;在缓冲过程中,活塞杆的末速度及缓冲腔压力与凸缘前端与活塞内腔壁间隙成负相关。     

液压支架油缸内壁缺陷修复机械臂的运动学分析与仿真

针对矿用液压支架油缸内壁局部缺陷修复,设计一种能深入液压支架油缸筒内进行内壁修复的焊接机械臂。基于改进D-H参数建模方法,对设计的内表面修复焊接机械臂进行运动学建模,并求解了内表面修复焊接机械臂的正、逆运动学。借助MATLAB软件,采用蒙特卡洛法,对该焊接机械臂的有效工作空间进行了仿真分析,利用Robotics Toolbox工具箱对油缸内壁缺陷修复机械臂进行关节轨迹规划,通过仿真得到各关节的角位移、角速度、角加速度曲线。仿真结果表明：该机械臂运行平稳,轨迹连续,满足运动学要求。     

气体流量对铝合金表面等离子喷涂8YSZ热防护涂层微观特性及力学性能影响研究

为了突破铝合金表面等离子喷涂热防护涂层结合强度低的技术瓶颈,采用三阴极等离子喷涂系统,在7A04-T6超高强铝合金基材表面制备了8YSZ热防护涂层,借助扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计及万能力学试验机,分析表征了不同气体流量参数对涂层显微形貌、物相组成、显微硬度及结合强度的影响,并提出了气体流量参数对涂层结合强度影响的临界值。研究结果表明：不同的气体流量参数下制备的涂层上表面均存在着熔融及半熔融的粉末粒子形貌、不同尺寸的孔隙结构及不同程度的裂纹扩展形貌。伴随着气体流量的增加,涂层的致密度增加,涂层的夯实形貌则呈现先增加后减少的变化趋势。不同气体流量参数下制备的涂层的物相结构与喂料粉末基本一致,都仅存在单一成分的Zr0.92Y0.08O1.96组元。伴随着气体流量参数的增大,涂层的平均显微硬度呈现逐渐增大的变化趋势,涂层的平均结合强度呈现先增大后减小的变化趋势。     

用于激光再制造的沸腾式送粉器设计

针对激光再制造对粉末输送的要求,设计一种基于流化床原理的沸腾式送粉器。实验采用粒径为75～109μm的Ni基合金粉末,在干燥室内环境下进行,分别在送粉器结构尺寸不同、气动回路控制方法不同以及沸腾气体流量不同的情况下对送粉器进行实验。根据实验结果对送粉器结构、气动控制回路进行改进。研究表明:内部尺寸适当小的送粉器其最小送粉率可达1.7 g/min;沸腾气体流量的变化对送粉率影响显著,即送粉率随着沸腾气体流量的增大而增大,且两者存在一定的线性关系;沸腾式送粉器的稳定送粉范围为2.5～20 g/min。     

稀薄条件下空气静压导轨气膜气体流态分析

基于空气静压导轨气膜支撑区气体分子运动和碰撞规律,提出气膜分层理论,将气膜支撑区的气体划分为近壁层、稀薄层、连续流层,给出划分稀薄层和连续流层的依据,建立物理模型并提出相应控制方程,通过LAMMPS(Largescale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)仿真气膜支撑区气体流态并计算其压力。结果表明:随着气流速度的增大,气膜有效压力减小,连续流层的厚度增大,稀薄层的厚度减小,当到达一定速度值时,气膜内压力不在分层,速度滑移现象可以忽略。从而验证分层理论的合理性。     

Numerical simulation on syphonage effect of laval nozzle for low pressure cold spray system

Instead of injected by high pressure powder feeder, powders can be drawn into the nozzle by syphonage effect generated by supersonic gas flow in low pressure cold spray. This characteristic makes low pressure cold spray conveniently for on-site operation. However, no data have ever been reported on the relationship between the nozzle structures and the gas flow in the powder feeder pipe. In this paper, a CFD software (STAR CCM+) was used to calculate the gas flow in nozzle of the DYMET 413 commercial low pressure cold spray system. Variation of structures and process parameters based on the commercial system were also investigated. The syphonage effect is strongly influenced by the powder feeding location, the temperature and pressure in prechamber has little effect on syphonage effect in powder feeder pipe. The syphonaged gas will decelerate the gas velocity and low down the gas temperature in nozzle, so it is best to control the mass flow rate of powder feeding gas by selecting the location. One of the disadvantages is that the particles will collide with the nozzle wall which makes the nozzle a short service life.