不同工艺参数对金属熔滴沉积成形影响

采用数值计算与试验分析相结合的方法,深入研究了不同工艺参数(沉积距离、扫描速度、熔体温度、基板温度、喷嘴直径等),单颗金属熔滴的沉积、铺展变化,验证了当前模型的正确性.通过对单颗金属熔滴沉积行为的研究,建立了单道/多道水平搭接成形数值计算模型,探索了金属熔滴在小空间、大温度梯度环境下沉积成形中熔体流动、铺展、凝固成形机理,结果表明,在典型特征截面上搭接成形时,通过优化工艺参数,可以获得熔滴沉积中的主要特征因素与成形形貌、内部质量之间的影响规律,为后续复杂金属件的熔滴液流沉积成形提供了技术支持和参考依据.     

金属熔滴沉积成形三维零件的工艺研究

通过对单颗金属熔滴沉积行为的研究,建立了三维实体零件搭接成形数值计算模型,探索了金属熔滴在小空间、大温度梯度下沉积成形中熔体流动、铺展、凝固成形机理,揭示了典型特征截面上搭接成形时,熔滴沉积中的主要特征因素对成形形貌、内部质量的影响。结果表明,在脉冲压力P=0.4 MPa、脉冲频率f=40 Hz、熔体温度T_d=550 K、基板温度T=400 K、基板与喷嘴间距离h_s=5mm、喷嘴直径D_0=0.7mm时,成形制件的层厚S_y=2.22mm,其内部没有明显的孔洞,致密度较好。     

金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺及实验验证

金属熔滴均匀连续沉积是一种新型的3D打印技术和快速原型(RP)技术。本文系统研究了铝熔滴连续沉积到基板表面的瞬态传热传质现象,沉积机理主要包括金属熔体的毛细现象及固液界面的传热、凝固、搭接和重熔。采用VOF方法对连续沉积的金属熔滴在水平固定铝基板表面沉积进行3D建模。针对凝固传热过程中不同参数下熔滴在铝基板表面沉积、凝固进行了研究,通过数值计算与实验验证,各种工艺参数的影响,如喷射速度、基板温度、熔滴直径与碰撞最大铺展因子的影响,显示了很好的一致性。基于上述研究,成形形貌和内部微观结构之间的定量关系进一步验证了金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺的可行性。此工艺为金属微沉积制造实施有效的过程控制提供指导。     

金属熔滴碰撞、铺张数值分析（英文）

基于金属熔滴沉积成形的3D打印技术,金属熔滴沉积成形质量与金属熔滴及基板参数有很大关系。对金属铝熔滴在不同参数下(比如:熔滴直径、滴落速度、比热、导热系数、潜热以及基板温度等)凝固过程中的最大铺展因子关系进行了研究。采用VOF对自由表面进行追踪的方法,建立包括对流和相变的计算方程和能量方程的仿真模型,耦合水平集函数,跟踪熔融粒子与周围空气之间的接口,获得的最大传播因子之间的关系,与在文献中出现的实验数据吻合。     

金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺及实验验证（英文）

系统研究了铝熔滴连续沉积到基板表面的瞬态传热传质现象,采用流体体积法(VOF)对连续沉积的金属熔滴在水平固定铝基板表面沉积进行3D建模。针对凝固传热过程中不同参数下熔滴在铝基板表面沉积、凝固进行了研究,通过数值计算与实验验证,各种工艺参数的影响,如喷射速度、基板温度、熔滴直径与碰撞最大铺展因子的影响,显示了很好的一致性。基于上述研究,成形形貌和内部微观结构之间的定量关系进一步验证了金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺的可行性。此工艺为金属微沉积制造实施有效的过程控制提供指导。     

金属熔滴碰撞、铺张数值分析

基于金属熔滴沉积成形的3D打印技术,其成形质量与金属熔滴及基板参数有很大关系。本文对金属铝熔滴在不同参数下,比如：熔滴直径、滴落速度、比热、导热系数、潜热以及基板温度等,其凝固过程中的最大铺展因子关系进行了研究。采用VOF对自由表面进行追踪的方法,建立包括对流和相变的计算方程和能量方程的仿真模型,耦合水平集函数,跟踪熔融粒子与周围空气之间的接口,获得的最大传播因子之间的关系,与在文献中出现的实验数据吻合。     

金属微喷熔滴沉积成型工艺数值模拟

采用半隐式压力关联算法,通过引进VOF函数和分段线性界面结构（PLIC）构建自由曲面,建立了微喷金属熔滴流动和传热数值模型,模拟了7075铝合金熔滴成形过程中撞击速度、熔滴间距、基板温度和熔滴尺寸等工艺参数对成形形貌的影响规律,并对模拟结果进行了实验验证。结果表明：确定合理的撞击速度和熔滴间距是获得好成形精度和质量的关键,熔滴直径为100μm,间距为200μm的7075铝合金熔滴在初始温度为350K的不锈钢基板上以1.5m/s的初速度沉积成形时,可获得较好的成形效果。模拟结果与试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中熔滴撞击、铺展和固化行为,为该工艺的实际应用提供了参考依据。     

金属微喷熔滴沉积成形工艺数值模拟与验证

采用半隐式压力关联算法,通过引进VOF函数和分段线性界面结构(PLIC)构建自由曲面,建立了微喷金属熔滴流动和传热数值模型,模拟了7075铝合金熔滴成形过程中撞击速度、熔滴间距、基板温度和熔滴尺寸等工艺参数对成形形貌的影响规律,并对模拟结果进行了实验验证。结果表明:确定合理的撞击速度和熔滴间距是获得好成形精度和质量的关键,熔滴直径为100μm,间距为200μm的7075铝合金熔滴在初始温度为350 K的不锈钢基板上以1.5 m/s的初速度沉积成形时,可获得较好的成形效果。模拟结果与试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中熔滴撞击、铺展和固化行为,为该工艺的实际应用提供了参考依据。     

熔滴在基板上的铺展及凝固过程的三维数值模拟分析

对于基于熔滴沉积的3D打印成形再制造技术,熔滴在基体上的动态铺展过程及伴随此过程中的温度变化情况直接影响到成形形貌及质量。基于有限体积数值模拟方法,建立了熔滴在基板上铺展及凝固过程的三维数值分析模型。采用流体体积比函数(VOF)法追踪熔滴自由界面的动态变化过程,用焓-多孔介质法处理熔滴凝固相变问题,用连续表面张力模型将表面张力处理为体积力源项。利用所建立的模型,计算分析了单个高温熔滴在基板上的碰撞中熔滴自由界面及温度的动态变化过程,以及熔滴凝固后的最终形态。通过比较熔滴界面动态变化过程的模拟计算结果与试验结果,证实所建立的模型是可靠的。     

基于单元生死技术的微熔滴沉积成形温度场模拟与试验研究

采用有限单元法和单元生死技术,建立了气动按需熔滴沉积成形温度场计算模型,模拟了7075铝合金薄壁件微熔滴沉积过程温度场的演变规律。结果表明:薄壁件成形温度场随熔滴沉积位置的移动而呈现周向动态变化,不同位置熔滴单元节点的热循环曲线存在不同个数的温度峰值和谷值;随着沉积层高度的增加,1～10层相邻搭接层间熔滴的冷却速率降低,熔滴所在沉积层中的高温区域逐渐扩大,使零件在成形方向上呈现变化的温度梯度,并导致1～10层相邻层间熔滴结合处的晶粒尺寸发生变化。模拟结果与7075铝合金薄壁件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中零件的温度场变化规律。     

基于单元生死技术的微熔滴沉积成形温度场模拟与试验研究

采用有限单元法和单元生死技术,建立了气动按需熔滴沉积成形温度场计算模型,模拟了7075铝合金薄壁件微熔滴沉积过程温度场的演变规律.结果表明:薄壁件成形温度场随熔滴沉积位置的移动而呈现周向动态变化,不同位置熔滴单元节点的热循环曲线存在不同个数的温度峰值和谷值;随着沉积层高度的增加,1～10层相邻搭接层间熔滴的冷却速率降低,熔滴所在沉积层中的高温区域逐渐扩大,使零件在成形方向上呈现变化的温度梯度,并导致1～10层相邻层间熔滴结合处的晶粒尺寸发生变化.模拟结果与7075铝合金薄壁件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中零件的温度场变化规律.     

金属液滴垂直搭接成形工艺研究

通过研究铝合金熔滴的垂直搭接过程中不同工艺参数下的对成形表面形貌和内部质量的影响规律。通过对单一金属液滴沉积行为研究,建立了垂直搭接沉积数值模型,并对多个熔融液滴垂直重叠形态的进化和温度变化过程进行分析和实验验证。实验表明：数值模拟与实验结果有良好的一致性,从而得到了最优参数。该研究对实现金属微液滴垂直搭接生产的有效过程控制至关重要,为制造复杂金属提供了技术支持和参考。     

不锈钢0Cr18Ni9熔滴沉积参数优化

在熔融沉积成型(FDM)过程中,为保证熔滴与基板之间有较好融合,本文首先对送丝速度、焊炬不同姿态以及焊炬与基板距离等参数下的熔滴沉积质量以及与基板融合变形过程进行了分析,采用VOF方法对熔滴的自由表面进行跟踪和修正,通过数值计算分别模拟了熔滴以一定速度撞击基板后铺展、融合的过程。通过模拟与试验验证得到可视化结果,表明不锈钢0Cr18Ni9熔滴沉积融合变形过程受多种因素影响,与实际相吻合。     

金属熔融涂覆成形工艺数值模拟与实验验证

针对金属熔融涂覆增材制造工艺,基于VOF函数和分段线性界面重构方法建立熔融涂覆沉积过程熔体热流场数值计算模型,分析了成形过程中沉积层表面的热力学行为及沉积层形貌的演变行为,利用该模型可获得熔凝区形态及温度场信息。研究了成形质量、沉积层形貌与冶金缺陷间的关系,并对数值计算模型进行了实验验证。结果表明:沉积层形貌计算值与实验值吻合较好,熔融涂覆沉积过程数值计算模型能有效地描述涂覆沉积过程中熔体内的铺展流动和凝固行为。采用热成像系统可实时监测沉积层表面温度信息。沉积层之间重熔结构及内部质量良好,无明显孔隙等缺陷。上述研究为深入理解金属熔融涂覆成形工艺中的复杂物理过程和成形工艺参数的优化提供理论指导。     

等离子喷涂熔滴快速撞击基体非稳态凝固行为研究进展

涂层成形过程中的缺陷含量、残余应力、沉积效率、组织结构及力学性能等指标均会随着工艺参数与基体预处理状态的不同而发生显著变化,因而需要从更加微观的角度深入理解等离子喷涂涂层的微观构筑过程,即单个熔滴的铺展凝固现象。本研究分别从熔滴凝固的类型与机理、不同因素对熔滴凝固过程的影响及凝固斑点形态的定量表征方法 3个方面详细综述了等离子喷涂熔滴撞击基体快速凝固过程的研究现状。结果表明,熔滴的铺展形态主要可以分为5类,包括圆盘型、破碎型、放射型、花瓣型及气泡型,影响铺展过程的因素主要包括熔滴特性(速度、温度、粒径、材料属性、熔化状态等)与基体状态(表面粗糙形貌、表面化学状态、吸附物及冷凝物、界面润湿性及接触热阻等)2大类,综合采用一系列参数对熔滴铺展几何形态进行表征,可实现熔滴沉积质量的定量评价。     

激光熔覆铁基合金的单层多道搭接工艺研究

在单道试验的基础上对铁基合金单层多道搭接工艺进行了研究。建立了激光熔覆多道搭接的理论计算模型,计算并修正搭接理论值。分析了搭接率对熔覆层的表面成形质量和微观组织的影响。得到了合适的搭接率56%,验证了熔覆层的显微硬度与材料的本身硬度相符合。     

基于金属液滴水平重叠沉积工艺对表面形貌和内部质量优化研究

在铝熔滴在铝基板上沉积、凝固过程中,研究了不同工艺参数下的对成形表面形貌和内部质量的影响规律。通过对单一金属液滴沉积行为研究,建立了横向搭接沉积数值模型,并对两个,三个,四个熔融液滴重叠形态的进化和温度变化过程进行分析和实验验证。实验表明：数值模拟与实验结果有良好的一致性,从而得到了最优参数。该研究对实现金属微液滴重叠沉积生产的有效过程控制至关重要,为液滴水平重叠沉积复杂金属提供了技术支持和参考。     

基于GMAW堆焊成形的间隔焊道搭接量模型

焊道搭接量在较大程度上影响着基于三维熔化极气体保护焊直接成形过程的顺利进行以及成形件的精度.文中根据焊接熔滴过渡的物理特性,建立了GMAW堆焊三维成形的间隔焊道搭接量模型,在此基础上计算了平整堆焊层的相邻两道焊道的理论间隔,采用实际焊接试验对理论模型进行了验证.得到了修正的理论间隔,并计算了平整堆焊层高度;试验得到的结...     

正弦织构化表面等离子喷涂熔滴铺展成形分析

目的 分析等离子喷涂熔滴在表面织构内的铺展、凝固规律,为了解表面织构化对等离子喷涂涂层结合机制的影响以提升涂层的结合强度提供理论辅助.方法 基于Flow 3D建立熔滴填充微织构的数值模型,研究等离子喷涂熔滴填充正弦形织构的温度场及铺展成形规律,并对比分析织构边缘凸起及织构形状的影响.同时,基于激光织构化表面等离子喷涂试验,分析不同织构对涂层形貌的影响.结果 无边缘凸起织构的散热速度比有边缘凸起织构的快约0.7μs,凹坑织构的散热速度最慢,计算结束时,其最高温依然高于熔滴液相线(1728.4 K)约44.7 K.基体最高温度约1680.5 K,其主要分布于织构边缘凸起顶端、基体平面与织构内壁的拐点以及织构内壁上的凸点位置.有边缘凸起正弦织构的凝固熔滴由中间向两侧逐渐变薄,熔滴在无边缘凸起织构外部呈规则的圆盘状,凹坑织构底部存在"空腔"特征.涂层截面形貌分析发现,有边缘凸起的织构表面的涂层形貌较优,凹坑织构涂层含有较多缺陷,形貌最差.结论 镍基涂层与织构化表面为机械结合.相比凹坑织构,正弦和直线织构更有利于提高涂层的质量.织构边缘凸起的存在对提高喷涂质量也是有利的.     

TIG电弧增材熔池行为的数值模拟研究现状

TIG(钨极惰性气体保护焊)电弧增材制造由于其材料利用率高、成形效果好等显著优势,已成为制造业研究的热点。本文从数值模拟的角度,着重总结了TIG增材熔滴过渡、热累积和熔池行为3个方面的重要结果。成形工艺参数决定熔滴过渡形式和频率,而熔滴的过渡形式和过渡频率直接影响沉积层的成形质量;热累积影响着成形件的微观组织和应力,可通过控制层间冷却时间来减少热累积;在进行TIG增材熔池数值模拟时,多选择高斯热源和双椭球热源模型。基于以上对TIG电弧增材制造的分析研究,对TIG电弧增材制造的研究方向进行了展望,主要包括建立熔滴与熔池的物理耦合模型和改进电弧热源模型两方面。