SLM成形薄壁件尺寸偏差预测与控制研究

目的 针对选区激光熔化成形薄壁件过程中存在的变形较大、精度低等问题,通过获得最优工艺参数区间来减小薄壁件的变形。方法 利用有限元软件分析薄壁件成形过程中温度场和应力场的演化规律;建立形变量预测模型并进行试验验证,研究工艺参数对薄壁件尺寸偏差的影响,得到激光功率、扫描速度与形变量之间的关系,实现对形变量的预测和控制。结果 随着扫描层数的增加,熔池的最高温度和热影响区也随之增大,等温线越密集,温度梯度越大,最终趋于稳定;薄壁件成形过程中,出现两侧壁边缘向内倾斜、上侧边缘出现内凹的现象,薄壁件的最大应力随层数的增加而减小,最大热应力主要分布在薄壁件底层的两端;形变量随激光功率的增大而增大,随扫描速度的增大而减小,薄壁件的形变量最小约为0.02 mm;试验验证所建立的数学模型误差在10%左右,误差较小,可以对形变量进行良好的预测和控制。结论 激光功率100～200 W、扫描速度800～1 000 mm/s为最优参数区间;降低能量密度可以有效降低薄壁件形变量,提高其精度。     

316L不锈钢选区激光熔化单道熔池几何尺寸演变规律

目的 探究激光功率(P)和扫描速度(v)对单熔道熔池几何特征尺寸的影响规律,以及P–v组合工艺参数对熔池从成形到稳定状态经历的扫描距离的影响规律。方法 以316L为材料,通过单熔道数值仿真分析,建立P–v变量与研究目标之间的影响关系。结果 不同P–v参数组合对熔池几何尺寸的影响规律明显,熔池几何参数达到稳定状态需要经历一定的激光扫描距离(小于1 mm)。随着激光功率增大,熔池长度达到稳定状态所经历的激光扫描距离随之增大,而熔池深度尺寸随之减小。扫描速度增大到400 mm/s时,熔池达到稳定经历的扫描长度缩短了6.7%,扫描速度对熔池稳定性的影响效果不显著。结论 在SLM单道成形过程中,激光功率、扫描速度越大,成形熔池平均长度尺寸也越大;激光功率越大、扫描速度越小,成形熔池深度及平均宽度越大。模拟试验获得重熔效果较好的P–v参数组合为P=200 W、v=800 mm/s,重熔率达到94%。在熔池成形过程中,激光功率对熔池稳定性的影响起主导作用。为了减少成形件的边界翘曲,在打印试件初始成形阶段应在合理激光功率范围内选择较高的激光功率。     

基于选区激光熔化316L不锈钢晶粒生长的仿真分析

目的 针对选区激光熔化成形316L不锈钢的晶粒生长行为难以被观测且观测成本高的问题,预测不同激光功率（P）、扫描间距（h）下选区激光熔化成形316L不锈钢的晶粒类型、尺寸大小及生长角度,探究不同P–h组合对晶粒生长行为的影响规律。方法 基于元胞自动机模型,采用全因子法设计16种P–h组合,从微观尺度模拟不同成形面316L不锈钢的晶粒生长变化情况,并对模拟结果进行数据统计分析。结果在平行于激光扫描方向的xy平面上,分布着大量晶粒直径小于60μm的等轴晶;而在垂直于激光扫描方向的xz、yz平面上,晶粒直径大于120μm的柱状晶分布得更多。随着扫描间距的增大,xz、yz两平面上的平均晶粒尺寸不断减小,而xy平面上的平均晶粒尺寸呈现先增大后减小的趋势。当P=150 W、h=0.18 mm时,xy平面上的平均晶粒尺寸最小,绝大部分晶粒直径小于20μm,晶粒生长角度均匀分布在0°～90°,没有出现晶粒生长向大角度偏移聚集的现象。结论 不同P–h组合能够通过改变熔池凝固时的冷却速率对选区激光熔化成形316L不锈钢的晶粒生长行为产生显著影响,在较低的激光功率下,适当提高扫描间距能够有效细化晶粒,减少晶...     

TC4合金等离子–MIG复合焊过程温度场的数值模拟

目的 研究TC4合金在等离子-MIG复合焊(Plasma–MIG Hybrid Welding)过程中的温度场特性,探究不同电弧功率对熔池形貌的影响。方法 进行了2组4 mm TC4合金板堆焊试验,根据实验结果提出了一种改进的复合热源模型并进行了相应的仿真分析。结果 仿真与实验获得的焊缝截面相吻合;等离子电流的增大使熔池尺寸增大且余高减小,等离子电弧功率的变化对熔池宽度的影响相对较小。结论 等离子–MIG复合电弧对工件的热作用非常集中,更易实现深熔焊、焊接效率更高;所提出的热源模型适用于TC4合金等离子–MIG复合焊温度场模拟。     

铝合金交叉筋壁板激光热诱导锥面成形边缘效应的研究

目的 减小铝合金交叉筋壁板激光热诱导锥面成形过程中的边缘效应。方法 利用有限元分析方法,通过对扫描线温度、应力应变分布的分析,得到边缘效应产生的原因;研究激光功率、扫描速度、扫描次数对边缘效应的影响,选择合适参数,采用激光热诱导成形系统,对5A06铝合金交叉筋壁板进行锥面成形试验,并用扫描仪检测成形精度。结果 边缘效应随着扫描速度的减小、激光的功率变大而减小,与单次扫描相比,两次扫描能有效减小边缘效应。试验证明,扫描速度对边缘效应的影响最大,将扫描速度保持在30 mm/s以下,调整激光功率和扫描速度控制能量密度,在保证弯曲角度的同时,也能较好抑制边缘效应。     

激光选区熔化热输入参数对Inconel 718合金温度场的影响

采用有限元模拟及实验验证相结合的方法,通过模拟随温度变化的粉体层和已凝固合金层的热物理参数转化及激光往复扫描过程等,研究了不同激光扫描速率和功率条件下,制件温度场分布、熔池大小的变化规律。基于激光线能量密度的激光热输入综合参数,总结了Inconel 718合金激光选区熔化过程中熔池大小的预测方法。结果表明,在激光的作用下,温度场等温线分布呈现椭球型,同时椭球型向已凝固合金层偏移。在本次实验参数研究范围内,激光线能量密度与成型过程中熔池大小之间呈线性增长关系。同时,本研究通过激光选区熔化设备制备了不同激光热输入条件下的Inconel 718合金试样,并对熔池大小进行了实验验证,所得实验数据与模型预测结果吻合良好。     

40Cr轴面激光熔覆Ni60数值模拟

目的 针对激光熔覆过程中熔池内部复杂的传热和对流现象,分析激光功率和扫描速度对熔池内部温度场、流场演变和分布的影响.方法 采用双椭球热源模型,建立了40Cr轴面基体激光熔覆Ni60粉末过程的三维温度场流场数值模型,并进行试验验证.结果 熔覆过程形成了近似椭球体的熔池,最高温度位于移动光斑中心偏后方,达到了2080.4 ...     

基于分区扫描策略的激光金属沉积短梁件残余变形有限元模拟

目的 研究分区扫描策略对激光金属沉积TC4钛合金短梁件残余变形的影响,探寻较优的分区扫描策略,以改善成形短梁件残余变形.方法 通过建立激光金属沉积TC4钛合金三维顺序耦合有限元模型,来模拟不同分区尺寸和分区间跳转顺序下短梁件的成形过程,研究成形过程温度场的演变和不同分区扫描策略下成形件短梁件的总变形和z向变形.结果 不同分区扫描策略下成形短梁件和基板的变形趋势相同,均为面向热源的翘曲变形;与分6个子区域和8个子区域相比,每层分16个子区域扫描成形的短梁件残余变形最小,且较6分区减小了约12％;顺序扫描、对角扫描和向外扫描3种分区间跳转顺序下成形的短梁件残余变形相差不大.结论 随着分区尺寸的减小,激光金属沉积短梁件的残余变形逐渐减小,每层分16个子区域,从中间往两侧向外成形的分区扫描策略成形得到的短梁件残余变形最小.     

板状WC晶粒WC-(Co-Ni)硬质合金的组织和性能

采用真空烧结法制备了板状WC晶粒WC-(Co-Ni)硬质合金,通过XRD、SEM、EDS等手段研究了Ni/(Ni+Co)比对硬质合金组织和性能的影响规律。结果表明:随着Ni/(Ni+Co)比的增大,硬质合金显微组织中板状WC晶粒的比例逐渐减少,硬质相颗粒的尺寸逐渐增大且平均长厚比逐渐减小。当Ni/(Ni+Co)比过大时,硬质合金中硬质相颗粒出现了团聚现象,使其力学性能显著降低。当Ni/(Ni+Co)比为0.3和0.5时,WC-(Co-Ni)硬质合金的综合力学性能较高,这与其硬质相颗粒较细和平均长厚比较大有关。当Ni/(Ni+Co)比为0.5时,WC-(5Co+5Ni)硬质合金具有较优的综合力学性能,其抗弯强度、硬度和断裂韧性分别为2 448 MPa、90.0HRA、21.2 MPa·m~(1/2)。     

卷边接头激光钎焊复合热场模型的数值计算

为了研究卷边接头激光钎焊热现象,进行了母材为镀锌板,CuSi3作为钎料的激光钎焊实验.基于激光钎焊原理和卷边接头焊缝成型特点,通过有限元分析法对激光钎焊温度场进行了数值模拟,采用高斯双椭球复合热源模型模拟了钎料融化铺展流动的传热行为,模型考虑了材料热物理属性随温度变化的问题以及相变潜热、辐射和对流对传热的影响,对不同激光钎焊工艺参数下的温度场进行计算,结果表明:当激光功率为1200W,焊接速度为1.5 m/min,离焦量为30 mm时,卷边接头的峰值温度和温度梯度较低,对于获得成形质量良好的钎焊接头更为有利.     

激光熔覆原位合成TiC成形工艺参数优化方法

目的 针对激光熔覆原位生成TiC过程中成形质量差、优化手段少的问题,探究工艺参数对熔覆高宽比、稀释率和面积的影响规律,实现熔覆质量的预测与优化。方法 采用全因素试验对数据进行拟合回归,利用得到的数学模型进行方差分析,得到工艺参数对成形质量指标的作用规律,后通过NSGA–Ⅱ遗传算法进行多目标优化,并提出一种加权择优算法。结果 得到的优化工艺参数如下:激光功率为1 585.70 W,扫描速度为4.76 mm/s,粉末配比为1.02,验证试验所得实际值与预测值的误差均小于10%,证明了优化方法的准确性。结论 高宽比随着激光功率和扫描速度的增大呈现降低的趋势,高宽比随着粉末配比的增大呈现先减小后增大的趋势;稀释率与激光功率、扫描速度和粉末配比的交互作用呈现正相关;熔覆面积随着激光功率的增大而增大,随着扫描速度和粉末配比的增大而减小。研究结果能为激光熔覆原位合成TiC成形控制提供理论依据。     

连续/脉冲激光再制造FeCrNiCu合金成形层温度场研究

采用非接触式红外高温测试仪对连续/脉冲激光成形两种模式下激光再制造FeCrNiCu合金成形层温度场进行分析,获取了熔池及热影响区温度场分布的一般规律,验证了脉冲激光工艺在控制热输入和成形形变以及降低熔池及热影响区温度方面的工艺优越性。结果表明:脉冲激光成形热影响区峰值温度为730.4~810.5℃,熔池峰值温度为998.7~1383.4℃,明显低于相同工艺下连续输出模式;脉冲激光成形层具有更快的升温及降温速率,利于形成细晶组织和获得良好的力学性能;实际成形实验也进一步验证脉冲激光工艺具有更小的热影响区范围。     

焊接参数对TC4薄板焊接过程的影响

目的 揭示焊接参数对TC4薄板焊接过程中温度场、位移场及应力场的影响规律。方法 基于有限元（FEM）模拟方法,运用Fortran语言对焊接热源及焊接参数进行定义,以模拟不同焊接参数下TC4薄板的TIG对接焊过程。结果 在稳弧阶段,温度场为一组以焊接方向为长轴的椭圆,且存在温度梯度,随着焊接速度的增大,温度场峰值、温度场温度梯度、熔池宽度和熔池体积逐渐减小,而焊接效率和焊接电流对温度场的影响与焊接速度刚好相反;随着焊接速度的增大,薄板最大变形量逐渐减小,焊接角变形及挠度变形逐渐得到改善,而焊接效率和焊接电流对位移场的影响与焊接速度刚好相反。在稳弧阶段,焊缝位置的残余应力为拉应力,两侧为压应力,随着焊接速度和焊接电流的增大,纵向残余拉应力逐渐增大,焊缝处高应力集中区的宽度逐渐减小,而焊接效率对应力场的影响与焊接速度刚好相反。在高焊接速度、中等焊接效率、低焊接电流参数条件下,可获得熔池体积小及熔池宽度窄的焊缝,有利于减小焊后残余应力与变形。结论 上述研究结果可为TC4薄板的焊接过程提供一定的理论指导。     

激光选区熔化316L不锈钢凝固特征与微观组织结构

对不同工艺参数下激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)成形316L不锈钢微观组织结构进行表征,研究不同工艺参数下SLM成形316L不锈钢微观组织结构演化规律、单熔化道凝固特性。结果表明,SLM成形316L不锈钢具有跨尺度、非均质凝固组织特征,包括微米尺度柱状晶粒、小角晶界、熔池界面和纳米尺度亚结构。单熔化道的稳定成形是三维块体成形的基础,熔化道稳定性由激光工艺参数与金属粉体物理特性共同决定。不同的激光工艺参数显著影响SLM成形316L不锈钢微观组织结构,通过改变激光参数可实现微观组织结构的调控,在不同的激光逐层旋转角度下,SLM成形316L不锈钢晶粒尺寸随着扫描间距的增大而增大。强制定向热流使得外延生长机制主导凝固晶粒的生长,在不同的激光工艺参数下,沿增材方向的柱状晶粒形貌普遍存在。     

电渣重熔工艺对GCr15轴承钢凝固组织的影响

基于CAFE法(元胞自动机-有限元模型),采用ProCAST对电渣重熔方法生产的GCr15轴承钢钢锭的微观组织进行数值模拟,得到了电渣钢锭的晶粒生长过程、熔池形状变化和晶区分布情况,并分析了不同的工艺参数对熔池形状以及凝固组织的影响.熔池深度随着钢锭固相区的扩展而变得越来越深,当钢锭长到一定高度,熔池深度和晶粒生长方向均不再变化.研究结果表明:结晶器冷却强度越大,熔池温度越低,熔池深度与钢锭半径之比h/R越小,而晶粒平均尺寸增大且柱状晶越多;渣池温度越高,h/R越大,晶粒平均尺寸增大;重熔速度是最显著的影响因素,熔速增大,h/R显著增大,柱状晶尺寸增大且数量增多.经过对电渣锭的凝固组织观察试验发现,模拟结果与试验结果有较好的一致性.     

碳纳米管对硬质合金WC晶粒及强度的影响

以碳纳米管为增强相,WC-10Co硬质合金为基体,采用湿法球磨工艺将多壁碳纳米管(Multiwalled carbon nanotubes,MWCNTs)和WC-10Co硬质合金粉料充分混合,通过真空烧结制成CNTs增强的WC-10Co硬质合金试样。采用SEM观测MWCNT在硬质合金基体中的分布和烧结后硬质合金微观结构。SEM显示碳纳米管嵌插在WC晶粒之间,抑制WC晶粒生长,使WC晶粒得到细化。试样横向断裂强度达到1 780 MPa,对比未增强试样提高了7.8%。     

发动机泵体精密热模锻成形工艺研究

目的为了提高发动机泵体综合机械性能和降低制造成本,采用精密热模锻技术来实现泵体的精确成形。方法通过确定锻件分模面位置,建立了泵体精密热模锻几何实体模型;在此基础上,建立了泵体热模锻过程三维有限元模型和模拟参数,实现了精密热模锻过程有限元模拟模型。结果通过数值模拟,获得了成形过程中坯料的速度场、等效应变场和温度场及载荷-行程曲线,揭示了泵体热模锻过程中金属充填模具型腔的情况及其变形机理,获得了温度场应变分布以及载荷、打击能量随行程的变化规律,优化了预成形时拍方坯料长度等参数,为确定成形工艺参数提供了科学依据。结论经试验验证,新工艺成形的锻件非加工外形面尺寸精度达到了零件要求,数值模拟结果与实验结果一致。     

激光选区熔化成形工艺对304L不锈钢冲击韧性的影响

目的 了解激光选区熔化(SLM)成形工艺参数对304L不锈钢冲击韧性的影响,从而得到304L不锈钢的最佳成形工艺参数。方法 对激光功率300~340 W,激光扫描速度800~1 500 mm.s^?1条件下的激光选区熔化成形304L不锈钢开展冲击试验,通过表面硬度、微观组织及断口形貌观察对冲击韧性的影响规律进行分析。结果 SLM成形304L不锈钢微观组织为跨越熔池生长形成的不规则柱状晶粒,成形工艺参数对试样表面硬度影响不显著;随着激光功率的增大和激光扫描速度的降低,304L不锈钢断面致密程度提高,孔洞类缺陷尺寸减少且数量减少,冲击韧性增大,冲击功最大值为141.9 J。结论 基于冲击试验结果,在激光体能量密度为100~140 J/mm³的条件下,304L冲击韧性稳定在138 J左右,为SLM成形304L材料的最佳成形参数区间。     

激光选区熔化成形18Ni300工艺参数优化及组织性能分析

目的 研究工艺参数对18Ni300马氏体时效钢激光选区熔化成形质量的影响。方法 采用正交试验方法研究激光功率和扫描速度对18Ni300相对致密度、硬度的影响,得到铺层层厚0.03 mm、扫描间距0.1 mm时为18Ni300最佳工艺参数,并对最佳工艺参数成形的试样进行组织及力学性能表征。结果 激光功率为230 W、扫描速度为1100 mm/s时,试样硬度为44.7HRC,相对致密度为99.98%,相对最优;材料鱼鳞状组织均匀致密,气孔较少,部分柱状晶沿熔池边界呈外延生长,熔池边界细小晶粒取向基本随机,熔池内部分粗大柱状晶有一定的择优性。结论 最优参数情况下SLM成形的18Ni300主要由体积分数为99.8%的马氏体和0.2%的残余奥氏体组成;试样的力学性能有明显的各向异性,拉伸断口有明显的颈缩,断裂形式为韧性断裂,纤维区可以看到明显的等轴大韧窝、孔洞,并伴有明显的撕裂特征。     

5A90铝锂合金激光焊搭接接头的组织和性能

以厚度为3.0和4.0 mm的5A90铝锂合金板为研究对象,系统地开展了铝锂合金双光点激光焊接工艺研究,并对激光焊搭接接头的组织和性能进行了分析。结果表明:通过合理的选择激光功率和焊接速度可保证焊接过程的稳定性,改善焊缝的成形质量;在母材半熔化区与焊缝柱状晶之间存在一条等轴细晶带,焊缝中心组织为等轴树枝晶,晶粒尺寸一般随激光功率的降低和焊接速度的增大而细化和均匀化。