超声波辅助增材制造温度场数值分析

文中基于增材制造激光数值模拟理论、送丝和超声模拟理论,对熔池内超声波辅助作用相关的空化效应、声流强化作用和声流热效应进行分析,采用高斯热源模拟现实中的激光对增材制造的材料进行加热熔化,通过对熔体的单独建模,并辅以超声振动和高斯热源加热,观察超声振动对熔池内流速场变化产生的影响。深入研究超声辅助打印时的温度场、温度梯度差异及熔池内的流速场分布,选择出最佳的超声辅助增材制造工艺参数并进行试验验证。结果表明：超声振动有利于熔池内流体流动,还会使熔池内的温度分布更加均匀,温度梯度更小。最后对仿真结果中层间温度最低点、中间截面和中心轴线上温度分布和温度梯度分布进行分析,并选定最佳激光功率和超声振幅进行了试验验证,验证了模型的正确性,为相关的研究提供了新思路。     

激光辅助电弧增材制造应力场数值模拟分析

采用数值模拟与试验验证相结合的方法对激光辅助电弧复合增材制造过程中的应力以及变形进行模拟与分析.分析了激光辅助电弧复合增材制造的应力场演变规律,并在此基础上研究了堆积方式、激光功率对残余应力以及变形的影响.结果 表明,成形件残余应力整体上呈现拉应力,中间部分为拉应力,靠近基板处为压应力.交错式堆积路径下成形件残余应力小...     

激光增材制造钛合金织构跨尺度分析

针对增材制造钛合金的组织特点,采用EBSD以及XRD的方法对增材制造TC11合金进行了织构分析,探讨TC11合金从微米级微观织构到厘米级宏观织构的变化规律,分析了EBSD扫描面积大小对织构分析结果的影响.结果 表明,采用大面积EBSD拼接扫描的织构分析结果与XRD宏观分析结果一致.TC11合金β相具有<001>∥沉积方...     

钛合金激光增材制造技术研究现状及展望

介绍了两种典型的钛合金激光增材制造技术的原理与特点,综述了钛合金激光增材制造技术的研究和应用现状。最后指出了钛合金激光增材制造技术中存在的一些问题,展望了其发展方向。     

同轴送粉激光增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金应力场数值模拟

采用Ansys软件建立了同轴送粉激光增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的有限元模型,对该模型进行了试验验证,模拟分析了不同激光功率和扫描速度单层单道成形过程中的温度场和应力场。结果表明,模拟得到的应力与试验结果误差约为5.2%,验证了模型的准确性。激光成形过程中,激光作用产生“端部效应”,熔池前端的温度梯度大,后端的温度梯度小。随着激光功率的增加和扫描速度减小,熔池温度增加,激光功率的影响更加显著。随着激光功率与扫描速度的增加,沉积层的三向应力也随之增大,最大Von mises等效应力与垂直于扫描方向的应力σ_y呈“W”形分布,沿扫描方向的应力σ_x先增大后减小,且σ_x>σ_y。当沉积层冷却至室温时,其表面残余应力主要为拉应力,且沉积层中部位置的残余应力高于边缘位置的残余应力。     

激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展

激光选区熔化(SLM)技术与激光熔化沉积(LMD)技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力,但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题,影响了构件的力学性能,从而制约了其大规模的应用。针对这一现状,首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理,比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点,并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。其次,从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手,综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响,以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构,从而影响成形件的组织与力学性能。此外,综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响,可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异,同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。最后,探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响,通过合适的热处理能够降低成形构件应力,并调控组织相变和性能。     

增材制造钛合金激光喷丸组织及热稳定性研究进展

首先对激光喷丸作用机理进行了概述;其次回顾了国内外激光喷丸改进增材制造钛合金组织性能的研究现状,在此基础上重点讨论了激光喷丸在增材制造中应用受到限制很大程度是由于存在大量非平衡组织,在热力学作用下会转向平衡态致性能改变;进而总结了目前一些从热力学及动力学上对稳定激光喷丸纳米晶组织所做的尝试及难题,创新提出利用激光喷丸良好扩散性能引入渗氮可析出氮化物、固溶原子等阻碍晶界迁移;最后提出该领域的研究方向以及全面建立增材制造钛合金-激光喷丸-热稳定性数据库以促进本领域发展。     

激光直接沉积增材制造钛合金超声检测方法研究

激光直接沉积增材制造技术已应用于航空航天、机械和电力领域的框架、横梁及特殊结构部件。增材制造工艺不同于传统制造工艺,增材制造钛合金容易出现气孔、未熔合孔洞、层间未熔合和裂纹等缺陷。本文采用超声水浸C扫描、双晶探头接触法和超声相控阵全聚焦法等超声检测方法,对增材制造钛合金内部的未熔合孔洞和层间未熔合缺陷进行了研究和探讨。为有效控制增材制造钛合金产品的内部质量提供技术支持。     

钛合金管口激光焊接的温度场和应力场数值模拟

基于高斯体热源模型和ANSYS有限元软件,建立钛合金BT20管口激光焊接的数值分析模型,使用其APDL二次语言,利用多步循环来实现对激光焊接过程的模拟,并获得相应的温度场、应力场分布情况。从模拟结果可看出,随着激光束远离起始端,焊层上的拉应力值逐渐减小,并转变为压应力,最后趋向零。     

GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟

为解决GH4169合金激光增材制造过程中变形甚至开裂的问题,采用直接耦合热弹塑性有限元方法对GH4169合金单道多层墙体激光增材制造过程温度和应力演变进行仿真分析。计算表明,激光增材过程沉积试件经过快速加热和凝固冷却过程,温度变化速率超过1×10⁵℃/s。热循环温度峰值超过2 500℃,最高达2 876℃。激光沉积扫描过的区域因冷却收缩受到约束产生较高的应力。后道沉积时激光扫描到的区域温度再次升高,先会释放前道沉积形成的应力,随着温度降低会造成更大的应力。热源加载结束的一瞬间沉积层与基板连接的部分温度存在反常增加的现象。沉积层残余应力以拉应力为主,高达875 MPa,沿沉积方向的应力分量最大。基板在与沉积层结合部位附近残余应力达到800 MPa左右,与其相对应的远处分布有残余压应力。     

GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟

为解决GH4169合金激光增材制造过程中变形甚至开裂的问题,采用直接耦合热弹塑性有限元方法对GH4169合金单道多层墙体激光增材制造过程温度和应力演变进行仿真分析。计算表明,激光增材过程沉积试件经过快速加热和凝固冷却过程,温度变化速率超过1×105 ℃/s。热循环温度峰值超过2 500 ℃,最高达2 876 ℃。激光沉积扫描过的区域因冷却收缩受到约束产生较高的应力。后道沉积时激光扫描到的区域温度再次升高,先会释放前道沉积形成的应力,随着温度降低会造成更大的应力。热源加载结束的一瞬间沉积层与基板连接的部分温度存在反常增加的现象。沉积层残余应力以拉应力为主,高达875 MPa,沿沉积方向的应力分量最大。基板在与沉积层结合部位附近残余应力达到800 MPa左右,与其相对应的远处分布有残余压应力。     

激光焊接温度场数值模拟

深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下，准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用MAT—LAB软件及ANSYS有限元分析程序对激光焊接温度场地分别进行了计算及模拟，并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与实测值进行了对比分析，进一步验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性。     

多元合金激光增材制造凝固组织演变模拟

针对多元合金激光熔覆过程,基于有限元方法和元胞自动机技术建立了多元合金激光熔覆熔池三维传热传质及凝固组织形貌演变模型,通过自行开发的宏微观耦合接口程序实现了三维熔池模型和多元合金凝固组织演变模型的耦合. 针对IN718激光熔覆过程中的传热传质和凝固组织演变过程进行了模拟,研究了基板初始晶粒尺寸、异质形核及多层熔覆扫描路径对熔覆层凝固组织形貌的影响机理,并对模拟结果进行了试验验证. 结果表明,模拟结果与实际物理过程吻合较好,所开发的耦合模型能够真实反映多元合金激光熔覆过程.     

激光增材制造钛合金冶金组织特征及其调控方法综述

增材制造技术是近年来迅速发展起来的一种快速成型技术,由于其诸多优点,如制造周期短、成本低、可制造复杂零件等而被广泛应用。本文介绍了增材制造的分类以及冶金组织特征,增材制造过程特殊的超常冶金过程,导致钛合金冶金组织存在(1)显著的粗大柱状晶,且随着制造方法的改变,柱状晶尺寸发生变化;(2)组织分布存在不均匀,包括相分布和晶粒尺寸分布不均性等。围绕增材制造冶金组织问题, 系统阐述了改善冶金组织的方法,主要包括改变工艺参数,外场辅助,如磁场、超声场,在线轧制塑性变形,添加形核剂来细化晶粒等。论文系统阐述,将为未来增材制造组织改善提供借鉴。     

基于焦耳热的滑压式增材制造方法温度场数值模拟与实验

提出了一种针对小型金属零部件的低成本、高精度的焦耳热金属熔丝增材制造技术。在此过程中,系统温度场和热历史对于实验分析具有重要意义。本研究主要利用有限元仿真软件建立三维焦耳热金属熔丝增材制造的热-电-结构耦合有限元模型,分析了制造过程中温度场变化规律以及丝材内部和基板的温度分布和等温面形状。结果表明：焦耳热在丝材与滚轮之间产生,丝材内部在0.1 s内升温至2700 ℃,滚轮移动后,最大温度位置随着滚轮的移动而移动,丝材内部温度梯度呈拱形,基板温度梯度呈半椭球形。模拟结果的截面熔核区域与实验截面熔核区域吻合较好。因此,所建立的有限元模型能够较准确地模拟焦耳热熔丝增材制造过程温度场,对实验机理的研究和后期的进一步加工有着重要指导意义。     

脉冲激光辅助激光增材制造研究进展

针对辅助脉冲激光作用在固相区的情况,分别论述了非同步式表面、非同步式层间以及同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺特点,分析了增材制造构件组织、成形缺陷以及应力分布的调控机理,并系统对比了非同步式和同步式脉冲激光辅助激光增材制造的调控效果,总结了同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺优势。针对辅助脉冲激光作用在熔池区的情况,研究了脉冲激光功率密度、频率对熔池热动力学行为的作用机理(Marangoni对流、超声波搅拌空化、冲击波效应等),进而明晰了辅助脉冲激光冲击熔池对增材制造构件组织、成形缺陷的影响机理。最后,对脉冲激光辅助激光增材制造技术的研究进展进行了总结,并对下一阶段的发展方向进行了展望。     

增材制造大型钛合金横梁缺陷分析

增材制造大型TC4钛合金横梁成形完成后进行缺陷检查,通过超声检测对梁缺陷的尺寸和位置进行检测,然后通过线切割对相应位置进行取样,磨制抛光后利用体视显微镜、金相显微镜、扫描电镜和能谱检测仪的手段,分别对缺陷类型及形貌进行分析统计,对缺陷附近组织、缺陷内部形貌进行观察分析,对夹杂物成分进行能谱检查,分析得出缺陷类型和形成原因。结果表明：TC4钛合金横梁的孔洞缺陷为熔合不良造成,与成形过程中局部出现搭接率和和Z轴单层行程ΔZ匹配不良的情况有关;夹杂缺陷为氧化物夹杂,是由于熔覆环境受到一定程度的氧气污染,合金熔滴表面反应生成氧化皮夹杂嵌入基体,氧气的存在同时影响熔合不良孔洞附近组织,使其出现α相增多和富氧α层的现象。     

增材制造钛合金凝固晶粒调控研究进展

钛合金由于比强度高、耐腐蚀好、高温性能好等优异的性能而广泛应用于航空航天、船舶、核电等领域。增材制造技术为大型整体关键钛合金构件的短周期、低成本制造提供了变革性途径,但增材制造产生的粗大柱状晶组织导致了构件的各向异性,限制了合金性能的充分发挥。进行晶粒调控以消除各向异性、提高力学性能成为近些年的研究热点。本文简述了增材制造钛合金构件典型晶粒形貌及形成机制,阐述了国内外在增材制造钛合金晶粒调控方面的研究进展,包括工艺参数优化、微合金化改性与新合金成分设计、外加能量场、后续热处理、新型增材制造工艺和多种方法复合等,总结了各类方法的调控机理和调控效果,对增材制造钛合金凝固晶粒调控的未来发展提出了思考与展望。     

基于CAFE模拟钛合金丝材电弧增材制造凝固过程的组织演变

采用CAFE(Cellular automation finite element)对Ti6Al4V合金丝材电弧增材制造的快速凝固过程进行模拟计算。通过建立不同阶段(堆积层)的三维模型,建立晶体形核与生长模型,并结合三维热传导(包含结晶潜热释放)模型,研究了不同阶段的温度场对固-液转变、初始β晶形核及生长等影响。结果表明:初始阶段初始β晶取向杂乱且晶粒尺寸细小;随着增材高度的增加,水平方向温度梯度变缓,平均固-液转变糊状区域宽度增加,初始β晶平均晶粒尺寸增加,晶体取向趋于热流传递方向(垂直于冷基板方向);其模拟结果与实际增材制造后的初始β晶组织形貌基本一致。     

激光增材制造设备现状及发展

激光增材制造技术主要包括粉末床熔融(PBF)和定向能量沉积(DED),粉末床熔融指的是激光选区熔化(SLM),定向能量沉积指的是激光近净成形(LENS).伴随着这些技术"诞生"了相应的激光增材制造设备.以华南理工大学相应设备研发为例,介绍了相关技术设备现状,并展望了激光增材制造设备未来的发展.