激光制造中金属粉末流浓度场的检测

研究激光同轴送粉中金属粉末流场的分布特性,对指导激光制造技术应用具有直接指导意义。重点研究了激光制造中同轴送粉条件下金属粉末流的浓度场,建立了同轴送粉嘴金属粉末流的浓度场理论模型,开发了一种新型数字粒子图像检测系统检测粉末流浓度场。该系统主要包括Nd3 ∶YAG激光器和CCD相机。它具有非接触测量、检测速度快、能同时给出流场的三维信息等特点。实验结果表明,粉末流的聚焦参数和浓度场分布可以通过数字粒子图像检测技术进行检测,为指导同轴粉嘴设计和激光制造粉末流参数测定提供了新的手段。     

激光熔覆中同轴粉末流温度场的CCD检测

在激光同轴送粉中,存在激光能量的吸收和衰减过程.利用Beer-Lambert定律,建立了同轴送粉中气粉两相流的温度场理论计算模型.依据所建立模型数值模拟研究了激光熔覆中的各种参数对温度场变化的影响,如激光功率、送粉量和送气量等.为验证计算模型的有效性,采用CCD实验测量粉末流温度值,从粉末流温度场分布图中可以看到,实验结果与理论计算结果十分接近.研究粉末流温度场分布情况对提高激光熔覆质量有很大帮助.     

同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量的衰减作用

为了得到同轴送粉激光熔覆中激光束穿过粉末流后的能量变化,研究了粉末浓度分布对激光能量的衰减作用。模拟了稳态、存在基底和熔池的情况下粉末流的空间分布,通过粉末浓度与激光能量衰减的关系,得到了任意粉末分布及激光能量分布下的衰减率。研究了基底对气流场的作用以及基底对粉末的反弹作用两种因素对粉末浓度分布的影响,并比较了平顶形光束在不同熔池尺寸和送粉率下的衰减率。结果表明,存在基底时粉末流对激光的衰减率比无基底作用时一般高2倍以上,与送粉率成正比,在熔池尺寸较小时与其大小成反比。     

激光制造中同轴粉末流场分析与检测

激光同轴送粉头喷出的粉末汇聚和分布特性直接影响激光制造的质量和精度。研究了同轴送粉时粉末分布规律和汇聚情况,提出了同轴送粉式粉末分布理论模型,开发了一种粉末流场检测系统,对喷嘴喷出的粉末汇聚情况和分布形貌进行了实时检测,结果表明,计算结果与实验测量结果比较吻合。通过系统观察和分析粉末流的汇聚和分布的实时变动行为,有利于更好地优化设计送粉头和控制激光制造过程。     

激光加工同轴送粉喷嘴两相流流场的数值模拟

激光金属沉积成形过程中,送粉喷嘴结构参数一定时,载气式同轴送粉喷嘴的粉末流场主要受送粉参数影响如载气速度、送粉量。为了进一步改善现有送粉喷嘴的汇聚性和提高粉末利用率,基于固气两相流数值计算模型,应用FLUENT软件模拟两种因素对同轴送粉喷嘴粉末流场的影响。结果表明:载气流速过小则会导致粉末流汇聚焦点浓度较低;载气速度过大则焦点形状不规则,降低成形表面质量;载气流速过小或者过大都会导致粉末利用率降低。送粉量主要影响粉末流焦点中心的汇聚浓度和粉末流速度以及速度波动。数值计算结果对同轴送粉喷嘴设计和优化激光加工工艺参数具有一定的参考价值。     

同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究

同轴气动送粉激光熔覆过程中,金属粉末落入熔池的速度、浓度的分布等物理参数对熔覆层的形貌有一定的影响。DPIV(d igital partic le im age veloc im etry)是试验确定粉末流运动规律的有效方法,通过建立DPIV试验装置,对同轴载气送粉装置输送的粉末的速度、浓度进行了取值计算。结果表明,随气体流量的增加粉末的浓度有一定的减少。沿z轴方向,存在发散汇聚在发散的变化,粉末粒子流量与粒子速度在一定范围内有线性关系,超出Mp=0.33g/s~0.83g/s,Vp=0~1.3m/s范围,其影响将减弱。     

混合元素法激光立体成形过程粉末输送性研究

混合元素法激光立体成形(LSF)过程中元素粉末的输送性对沉积试样的化学成分有重要影响,为实现混合元素法激光立体成形过程中各元素粉末的输送一致性,进而保证沉积试样的化学成分与目标成分一致,对混合元素法激光立体成形过程中的粉末输送性展开研究.结合喷嘴管道内外气-粉两相流分析,建立粉末颗粒在喷嘴管道内外的运动微分方程,揭示元素粉末特性对粉末输送性的影响规律.结果表明,送粉工艺一定的条件下,元素粉末的出口速度和加速度均随粉末密度和粒度的减小而增大.各元素粉末的输送一致性条件为在送粉工艺一定的情况下,各元素粉末流具有相同的出口速度.基于以上的粉末输送一致性条件,获得混合元素法激光立体成形过程中各元素粉末特性的匹配关系,进而保证了激光直接沉积试样的成分与预混合元素粉末成分的一致.     

粉末混合均匀性及W粉形态对激光直接成形W-Cu复合材料成形质量的影响

进行了W-Cu复合材料的激光直接成形实验,研究了混合粉末均匀性和W粉的形态对激光直接成形W-Cu复合材料成形质量的影响,对成形试样的微观组织进行了分析,并测量了成形件的致密度。研究结果表明,当混合粉末均匀性较差时,成形气孔主要是由W粉末颗粒团聚引起,且随着激光功率的增大,成形气孔数量增多,成形件的致密度减小。使用直径为54~100μm的球形W粉,由于粉末流动性好,成形试样的致密度大于99%;使用直径为25~54μm的球形W粉,由于送粉过程中粉末飞散,成形试样Cu、W分布不均匀,成形试样表面凹凸不平。     

基于激光光斑直径的激光熔覆粉末汇聚特性数值模拟

为了探索激光熔覆过程激光与粉末流的耦合作用机理,通过激光熔覆喷粉数值模拟,研究送粉速度对粉末汇聚特性的影响规律,随着送粉速度的增加,粉末流焦点直径逐渐减小,粉末流获得良好的收敛性.通过分析激光光斑模拟图,研究激光光斑大小与粉末流焦点直径的作用关系,并通过激光熔覆实验进一步验证,当粉末流焦点直径接近激光光斑直径时,熔覆形...     

YAG激光束与金属粉末流相互作用检测研究

为研究同轴送粉熔覆中YAG激光束与粉末流的相互作用机理, 采用CCD检测技术, 对不同功率、不同送粉量下粉末流分布进行检测, 得到不同参数下粉末流的图像、灰度分布图和伪彩色分布图。结果表明: 随着激光功率增加, 粉末流图像由暗变亮, 最后到白炽状态, 其温度逐渐升高。激光功率400 W时, 随着送粉量的增加, 粉末流图像由暗变亮, 到一定程度后变暗。该检测结果可用于激光熔覆工艺优化, 提高熔覆的质量以及材料的利用率。     

激光微冲击成形技术分析与展望

激光微冲击成形(μLSF)是利用微尺度脉冲激光和材料相互作用产生高幅冲击波压力实现材料微小塑性变形的技术,其综合了激光成形、冲击强化和塑性成形等技术的优点,通过控制激光工艺参数和合理的路径规划获得所需的微观几何形状和表面质量,具有良好的柔性,在材料微塑加工领域具有显著的技术优势。在介绍激光微冲击成形技术原理和特点的基础上,分析了微尺度激光冲击成形中的压力模型、本构模型及其工艺方法,讨论了激光微冲击成形中涉及的关键技术,综述了激光微冲击成形表面的质量及相关性能的研究现状,指出当前激光微冲击成形研究中存在的问题,并对今后的研究做了展望。     

激光同轴送粉喷嘴射流场研究

激光同轴送粉喷嘴是激光直接制造系统中核心部件之一,喷嘴的保护气体流场对金属粉末的流动和零件材料的性能影响较大.研究应用粒子图像测速(PIV)技术测量激光同轴送粉喷嘴轴截面保护气体的流场,并对此进行了相应的计算与分析.结果表明,喷嘴三个喷口之间的壁厚对喷嘴附近的流场影响较大,促使喷嘴喷口处产生两对对称旋涡,不利于粉末的输送和聚焦.喷嘴的三个喷口的喷出气流速度一致时,速度界面的湍流扩散和动量交换较小,将产生一个有利于输送金属粉末的稳定流场.     

利用PSD传感器元件测量湍流密度场

描述了一种利用激光、PSD(position sensitive detector)元件及计算机数据采集系统测量湍流场气体密度及其脉动统计平均值的方法;并在流场是轴对称统计定常的假设条件下,建立了测量数据处理的数学模型。用这种测量技术可以定量地获得湍流场内部的统计平均特性。     

激光立体成形Ti-Al-V系的合金力学性能

研究了以元素粉末为送进原料时,激光立体成形(LSF)Ti-Al-V系合金的力学性能。结合激光立体成形Ti-xAl-yV(x≤10,y≤25)合金的硬度测试分析和人工神经网络模型优化,获得激光立体成形Ti-xAl-yV合金成分-硬度的关系。选择典型成分合金进行室温拉伸性能测试,在此基础上获得激光立体成形钛合金抗拉强度与显微硬度的比例因子K值为2.86～3.00,可实现对激光立体成形Ti-xAl-yV(x≤10,y≤25)合金的抗拉强度预测。另外,室温拉伸性能测试结果表明,激光立体成形Ti-4Al-3V、Ti-5Al-3V、Ti-4Al-4V、Ti-5Al-4V以及Ti-3Al-6V沉积态的综合室温拉伸性能均达到Ti-6Al-4V合金的锻件标准。     

激光熔覆沸腾式送粉器气固两相流数值模拟研究

为了改进激光熔覆沸腾式送粉器的性能,对送粉器的送粉过程运用FLUENT软件进行了3维非定常的气固两相流仿真。通过对比Syamlal-O'Brien,Gidaspow,Mckeen和修正的Syamlal-O'Brien曳力模型中Ni基合金粉末输送的模拟结果,发现Mckeen模型得到的粉末流量与实验值相符。利用Mckeen模型,分别对不同沸腾气流量进行计算,其平均的粉末流量也与实验值接近,从而确定了Mckeen曳力模型适用于该类送粉器的数值模拟;并分析了2.6L/min的沸腾气流量下的气体与粉末的流化特性。结果表明,沸腾进气口2对送粉的影响不大,关闭该气流入口也可得到很好的送粉结果。这为激光熔覆送粉器结构改进和优化提供了理论依据。     

激光熔覆中粉嘴流场的数值模拟

建立了激光熔覆中由粉嘴输出的保护气体-金属粉末两相流场计算模型,应用FLUENT软件进行计算。该模型中考虑了两相流中动量和质量的传输。分析了金属粉末流场的水平方向和中心线上的速度分布规律,以及粉嘴内外粉末流的速度矢量分布规律。计算结果表明,中心线处粉末流速度分布先呈现微小的增大减小过程,而后单调递增,大约从粉嘴下方100 mm后呈线性递增;速度水平分布先在中心线附近达到最大而后在径向距离6~11 mm区间内线性递减至零。在相同的工艺参数下,应用数字粒子图像测速(DPIV)技术对同一流场进行检测,计算值和测量值吻合较好。结果表明,所建立的保护气体-金属粉末流速度场模型是可靠的,该模型对掌握流场参数分布和进一步指导粉嘴尺寸设计有一定的参考作用。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研制

针对现有送粉喷嘴粉末汇聚性差、出粉口容易堵塞以及受热变形的缺点,设计了一种四孔式同轴送粉喷嘴。喷嘴中央为激光束及保护气通道,沿中心锥孔轴向均布的4个小孔,为粉末通道。建立了数值计算模型,应用FLUENT软件对粉末通道不同出口形状和不同倾角条件下粉末流场情况进行数值模拟,选择最优方案。计算结果表明,在其他工艺参数一定的前提下,采用收缩出口与粉末通道倾角为70°时有利于改善熔覆成形效果。最后利用研制的送粉喷嘴进行粉末汇聚、激光熔覆成形等实验,验证该送粉喷嘴的实验效果。     

基于MATLAB的LSF滤波器实现

线谱对参数具有优越的量化特性和内插特性,以线谱对参数作为滤波器系数的LSF滤波器是一种适用于高压缩率声码器的声道滤波器.MATALAB功能强大且编程方便,广泛应用于各种算法的性能评估.文章简要介绍了LSF声道滤波器原理,给出了用MATLAB实现LSF滤波器的流程图和程序代码.最后设计了一个LSF声道滤波器的应用实例,并对应用实例进行了MATLAB仿真,给出了应用实例的仿真结果.     

TC4钛合金板激光冲击成形实验研究

首次对TC4钛合金板进行了激光冲击成形实验研究,实现了TC4板的激光冲击成形。并利用金相显微镜、扫描电镜(SEM)和显微硬度计分析了冲击成形后试样组织结构和表层硬度的变化。实验结果表明激光冲击成形技术不但可以实现对TC4钛合金板的成形,而且还可以提高了TC4钛合金板的物理和力学性能。最后通过与SUS304不锈钢成形效果的比较,说明了TC4钛合金比SUS304不锈钢更难成形。