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。     

Ti6Al4V的激光选区熔化单道成形数值模拟与实验验证

对于Ti6Al4V材料的激光选区熔化（SLM）成形工艺,基于离散元方法（DEM）建立粉末颗粒随机分布的三维介观模型.采用流体体积法（VOF）对SLM成形过程的三维自由表面进行动态追踪;考虑TC4颗粒随机分布的粉床、随温度呈非线性变化的热物性参数、熔池自由液面演化、由温度梯度引起的表面张力以及蒸发作用;通过数值模拟研究激光与粉末颗粒相互作用过程中的传热、熔化、流动、凝固等过程. 结果表明,由温度梯度及表面张力梯度产生的马兰戈尼对流是影响熔池内部传热传质和熔池三维形貌的主要因素;线能量密度（LED）与马兰戈尼对流的强度呈正相关,当LED=92.9~183.0 J/m时,单道表面质量较优. 通过单道成形实验对熔池与熔道的三维尺寸与形貌进行观察分析,有效验证了数值模拟的正确性.     

铝合金T型接头双激光束双侧同步焊接温度场模拟

为了掌握双激光束双侧同步焊接工艺特性并得到最优焊接工艺匹配参数,对由铝合金6156底板与6056桁条组成的T型焊接接头进行了有限元数值模拟和试验研究.在改进以往激光热源模型的基础上,模拟分析了不同工艺参数匹配条件下的激光焊接过程,获得了实际可行的工艺参数范围.同时研究了焊接功率和焊接速度对熔池形状的影响规律,结果表明:焊接功率和焊接速度对焊缝成形具有重要影响,且熔池形状的模拟结果与试验结果吻合良好.最终获得了最佳的焊接工艺参数,为大型客机铝合金壁板的双激光束双侧同步焊接提供了理论指导.     

基于ABAQUS的铝/镁层状复合材料SLM热源优化

利用ABAQUS有限元软件,使用移动热源和生死单元技术对SLM成形过程的三维瞬态温度场进行动态数值模拟,有限元模型考虑了随温度变化的材料热物性参数、凝固-冷却过程中的相变潜热等因素,在不同的热源参数下,对界面附近的温度场进行了分析与计算。结果表明:采用蛇形路径,当激光热源功率为350 W,扫描速度0.25 mm/s时,能够在纯铝与AM60的界面形成冶金结合的同时获得较好的力学性能,其界面抗剪强度达到了75.5 MPa。     

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。     

切向气流下激光辐照温度场数值模拟

以圆柱形金属/炸药结构为对象,考虑存在切向气流的情形,数值模拟激光辐照温度场分布。通过有限元的方法,得到温度场的数值模拟结果,分析气流速率对温度场分布以及炸药热爆炸的影响。分析结果表明：切向气流对激光辐照过程有冷却作用,气流速率越大,冷却效果越明显,对应炸药点温度越低,越不利于炸药的热起爆。     

6061铝合金增材制造温度场仿真

针对6061铝合金的电子束选区熔化(Selective Electron Beam Melting, SEBM)过程,采用ANSYS构建了温度场仿真三维有限元模型。考虑材料的热物性参数随温度的变化特性,通过高斯面热源在粉末床上移动,研究了电子束功率、扫描速度和铝合金预热温度对熔池尺寸、熔池热历史的影响,为6061铝合金电子束选区增材制造工艺参数的选择提供理论依据。研究结果表明：熔池宽度、熔池深度随着电子束功率、预热温度的增大而增大;输入线能量小于0.19 J/mm时,熔池深度、宽度均随着扫描速度的增大而减小,熔池长度随扫描速度的增大而增大;当输入线能量大于0.19 J/mm时,熔池深度、宽度均随着扫描速度的增大而增大,但增大速率减小,熔池长度随扫描速度的增大而减小。电子束功率是影响熔池冷却速率的主要因素。不同扫描路径的粉末层温度分布不同,采用合理的扫描路径可使得整个零件的热分布更加均匀。     

熔体抽拉金属纤维形成过程及缺陷形成分析

为解决制备金属纤维时存在的直径不均匀、竹节状缺陷等问题,采用数值模拟软件(ANSYS和FLUNET)对熔体抽拉金属纤维成形过程进行研究,并对纤维成形过程中熔融金属的运动及相场、温度场、流场的演变进行分析。结果表明,熔体表面稳定性和大的温度梯度容易导致纤维直径不均匀,特别是熔体与辊轮接触区。熔体的稳定性是决定金属纤维表面质量的重要因素,液面越不稳定,越容易出现带化及直径不均匀现象;纤维成形过程中熔体与辊面接触区域间存在具有一定角度的缝隙,随着纤维的成形并被甩出过程的持续,这一角度逐渐减小;而且该过程中熔体内部由于气相场的变化逐渐在不同区域产生涡流,发生卷气现象,凝固后由于气泡的塌陷,导致纤维凝固组织不均匀,形成表面凹凸等。对温度场演变的分析表明,不同区域冷却速率的差异使熔体内形成大的温度梯度,这导致熔池明显分层,靠近辊轮表面为流速最慢的过冷层,下方为流速最快的抽拉层,流体速度差使得金属纤维成形时容易在下游形成直径波动,这进一步加剧了金属纤维直径的波动。实验和理论分析表明,避免液面剧烈波动和大的温度梯度的产生是金属纤维成形的关键,表面光滑、直径均匀的金属纤维的成形需要金属熔体和熔体抽拉工艺的紧密配合。     

激光熔覆过程光束能量衰减的模拟

为了应用能量守恒对同轴送粉激光熔覆中的熔覆层性能进行精确计算,研究了激光束穿过粉末云时能量的衰减现象和衰减规律.利用流体软件模拟实际喷嘴喷粉的过程,并利用有限元软件模拟激光束穿过粉末云的能量衰减规律,得到了激光-粉末相互作用区域内粉末云质量浓度随z轴的分布曲线,以及不同激光功率下和不同粉末云质量浓度下,从喷嘴出口到基材之间粉末云对激光衰减率的变化曲线.结果表明:激光束穿过粉末云的过程中,未到粉末交汇处时光强衰减较弱,汇聚处能量衰减明显.对衰减率进行定量研究可以很好地用于熔池温度场的精确计算.     

SLM工艺参数对316L不锈钢成形零件微观形貌的影响

激光选区熔化技术（selective laser melting,SLM）是一种以粉末为原材料的金属增材制造技术,通过对激光选区熔化技术制备316L不锈钢零件的成形工艺参数（激光功率、打印速度）进行变更,研究不同参数对316L不锈钢SLM成形零件材料组织形貌及微观结构的影响,优化316L不锈钢SLM成形工艺参数,保证316L不锈钢的致密成形。采用扫描电子显微镜（SEM）、光学金相显微镜（OM）等测试方法为激光选区熔化成形316L不锈钢提供合理参数与方法。结果表明：SLM成形316L不锈钢试样组织主要由奥氏体组成;当激光功率较大时,不锈钢内部有极大概率会出现未熔化的颗粒;当激光功率为290 W,打印速度为800 mm/s时,试样内部组织较为致密,为最佳的打印工艺参数。     

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.     

激光强化处理参数对轧辊表面性能的影响

通过试验，研究了激光功率、光斑直径、扫描速度、搭接量和合金粉含量等激光处理工艺参数对轧辊表面性能的影响，结果表明，轧辊表面经激光淬火处理后。性能稳定，耐磨性和抗疲劳性均有所提高，达到了生产要求．     

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.     

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。     

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.     

Optimization of processing parameters for laser powder deposition using finite element method

In order to investigate the effects of powder materials and processing parameters on thermal and stress field during laser powder deposition (LPD), a finite element model was developed with the help of ANSYS software. The finite element model was verified by the comparison between the experimental results and computed results. Then LPD processes with different powder materials and processing parameters were simulated by using the FE model. The results show that less difference of thermal conductivity and thermal expansion coefficient between powder material and substrate material produces lower residual stress; higher laser power, laser scanning speed and smaller laser beam diameter can lead higher peak temperature and higher residual stress. The research opens up a way to rational selection of the powder materials and processing parameters for ensured quality.     

双波长选区激光熔化成形中F-theta镜头光学设计

在选区激光熔化成形设备中,F-theta镜头是其重要的组成单元,一般采用单一波长作为光源。为了改善选区激光熔化成形性能,首次设计了由三片球面透镜组成的用于共轴双波长选区激光熔化成形的f-theta镜头。通过引入负畸变实现线性扫描,并选择合适玻璃材料、结构设计来消除色差。在扫描面积为120mm×120mm范围内,适用激光波长为532nm和1080nm,对这两波长激光的聚焦光斑分别小于30μm和60μm,横向色差分离小于1μm,满足高精度双波长激光同时共轴选区熔化成形的应用需求。     

碳钢激光表面钨和硅合金化的组织

使用1.5kW连续波CO_2激光器住45~#钢基体上进行钨和硅的表面合金化。研究了激光表面合金化工艺参数对激光表面合金化层的平整度、硬度及显微组织的影响。用实验优化了激光表面合金化参数,对具有3个不同区的合金化层结构和热影响区的组织进行了分析讨论。