基于金属3D打印技术成形嵌套零件工艺研究

针对传统采用多个零件拼接而成具有悬垂嵌套结构的零件,提出了金属均匀喷射熔滴沉积"双喷头"3D打印成形工艺,开发了金属微喷熔滴沉积成形试验平台,通过对新型支撑材料的配比和成形工艺研究,实现了金属以及支撑材料成形的联动控制,成形出较高精度悬垂嵌套的金属制件,与传统成形工艺相比,具有成形周期短,制造成本低等优点,实现了此类零件的即用即打,此类零件成形提供了实现的途径与条件.     

45钢/锡铅合金复合结构熔融沉积中熔滴过渡行为

面向45钢/锡铅合金复合结构熔融沉积过程中的锡铅合金熔滴与钨极惰性气体保护焊（TIG）焊接熔池的匹配性需求,基于有限差分方法,采用流体体积法（VOF）建立微喷熔滴形态演变过程数值计算模型,分别研究压电驱动式熔滴微喷过程中压电激振驱动参数和喷头内结构参数对于产生熔滴的尺寸及速度的作用和变化规律. 研究发现,当喷孔直径为0.5~0.6 mm,喷孔深度为5~6 mm,环隙为4~5 mm时,锡铅合金熔滴具有较高的球形度,熔滴可控性较好. 压电陶瓷激振频率和驱动行程对于锡铅合金熔滴尺寸影响不明显,熔滴速度随激振频率和驱动行程的增大而增大. 对比数值计算结果与实验结果,发现锡铅合金熔滴尺寸与熔滴速度最大误差均小于10%,表明利用数值计算模型对熔滴微喷过程进行分析较可信.     

TIG电弧辅助熔滴沉积增材制造SiCp增强铝基复合材料中的熔池动力学与颗粒迁移行为

基于计算流体力学方法,考虑电弧力、碳化硅颗粒(SiC_p)增强相与液态铝合金基体相之间的相互作用以及表面张力等因素,建立了Si C_p增强铝基复合材料钨极氩弧焊(TIG)电弧辅助熔滴沉积增材制造中的三维瞬态熔池行为数值模型,通过与堆积试样的横截面形貌、Si C_p分散状态实验结果对比,验证了熔池行为数值模型的有效性。通过数值模拟,揭示了堆积过程熔池峰值温度演变规律、熔滴冲击诱导的熔池动力学行为、熔池流态对Si C颗粒迁移行为的影响。结果表明,堆积过程涉及熔滴冲击、合并、铺展、熔池回弹4个阶段;冲击点附近出现重熔,熔滴冲击造成熔池中心区域产生明显的V字形凹陷,熔池边缘形成冠状隆起;在熔体拖拽力的作用下Si C颗粒更多的分布于堆积层两侧;熔滴冲击引起的熔池内局部高压以及熔池底部对流,抑制了Si C颗粒向熔池底部沉降。     

基于CMT的电弧熔丝增材Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金的组织与性能

采用基于冷金属过渡的电弧熔丝增材方法(CMT-WAAM)制备了Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金试样,研究了CMT-WAAM Ti6321合金显微组织、力学性能及其各向异性. 结果表明,CMT-WAAM Ti6321合金显微组织由不规则的多边形原始β晶和晶界α相组成,CMT脉冲工艺(CMT+P)能够有效细化晶粒,组织中没有发现贯穿式的柱状晶,且未发现马氏体.CMT-WAAM Ti6321合金x向和z向的室温抗拉强度达到同级别锻件标准,断口形式均为典型的韧性断裂.成形组织中没有明显的织构存在,拉伸强度的各向异性也不明显,组织中的气孔导致z向的断后伸长率低与x向. x向和z向冲击韧性均不低于65 J,能够满足船用钛合金结构件的需求,冲击断口中存在大量的撕裂型韧窝,为典型的韧性断裂.     

常温微压印中抗蚀剂流动的研究及工艺优化

为提高微压印中抗蚀剂的复型精度,利用POLYFLOW,基于流固耦合方法对常温压印过程中抗蚀剂的流动进行了有限元模拟,系统地分析了抗蚀剂的初始厚度,留膜厚度,模具的深宽比,占空比,模具下压速度等因素对抗蚀剂流动填充的影响规律。搭建了压印的可视化实验平台,通过该平台对不同工艺条件(包括抗蚀剂的初始厚度,留膜厚度以及模具的下压速度)及软模具结构(深宽比,占空比)下抗蚀剂的流动填充过程及其填充形貌进行了实时观测,并与数值计算结果进行比较。结果表明,在不影响填充效率的情况下,采用低速下压(≤1μm/s)方式,在占空比0.375,深宽比2时,填充度可达到90%以上。仿真和实验验证了优化的压印工艺条件和模具结构。另外,本文还引入了增加模板特征高度预留量的概念,可进一步提高复型精度。     

高速滑动轴承流固耦合传热及流场分析

通过建立高速滑动轴承的轴瓦-润滑油-轴颈的流固耦合传热系统,将单个传热外边界条件变成内边界,采用计算流体动力学(CFD)方法求解该耦合系统的连续性方程、能量方程和Navier-Stokes方程组,得到耦合系统的温度场、流场和流固界面传热量,解决轴瓦、润滑油、轴颈之间的流固界面的温度和换热系数等传热边界条件难以确定的问题。结果表明:高速滑动轴承油膜压力随着供油压力的增加、轴颈转速的提高而增大;随着轴颈转速提高,油膜将发生破裂,提高供油压力可以抑制油膜破裂的发生;提高供油压力、轴颈转速,加剧润滑介质的流动,均能一定程度地降低轴颈的温度;轴瓦与油膜之间的传热大于轴颈与油膜之间的传热,轴颈、轴瓦与润滑介质之间的传热与润滑介质温度相关。     

灌水器内圆弧形流道的液固两相流场分析

针对迷宫流道灌水器结构细微复杂等特点，利用计算流体动力学方法对其流道内流场进行液固两相数值模拟。采用雷诺应力模型和壁面函数法模拟流体流动，采用离散相模型跟踪颗粒运动轨迹。研究表明，每个单元流道不同部位的流体流速相差较大，在圆弧顶部和右下侧均出现不同大小的漩涡，沿流动方向漩涡呈扩大趋势；小颗粒的跟随性比大颗粒的跟随性好，但更易受湍流脉动的影响，部分颗粒会在涡团中心处沉淀下来，导致流道堵塞，灌水器的堵塞实验结果验证了数值分析的正确性；相对颗粒直径而言，颗粒密度对其运动轨迹的影响要小得多。     

铝合金熔滴复合电弧沉积同步WC颗粒强化增材制造工艺研究

针对铝基复合材料高效率、低成本增材制造,提出了铝合金熔滴复合电弧沉积同步颗粒强化增材制造新方法。实验研究中,以倾斜变极性电弧为热源,2024铝合金为基体材料,球形WC颗粒为增强相。成形过程中,由熔滴发生系统产生的铝合金熔滴,竖直落入倾斜电弧产生的熔池,与此同时WC颗粒以气载粉的方式送入熔池后沿,并随着电弧和基板的相对运动分散在铝合金基体中。单道多层沉积实验结果表明,送粉位姿、载气流量和WC颗粒直径均对WC_P/Al沉积过程影响显著。保持送粉方向平行于钨针轴线,且粉末流汇聚于熔池后沿时,有利于在沉积过程中保持电弧形态的稳定并获得较高的颗粒植入比例。金相分析显示,WC_P/Al沉积层内WC颗粒分布总体均匀,且颗粒与基体结合可靠;WC颗粒的存在会抑制柱状晶的生长,并且当WC颗粒直径小于40μm时,具有显著的晶粒细化效果。     

基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法

滚刀的布局需要符合滚刀在刀盘面上分布均匀、分散、对称的布置位置要求,刀盘分块合理、刮碴铲斗排碴顺畅的结构设计要求,以及刀盘变形和应力小、刀盘整体受力平衡的力学性能要求。针对现有的典型滚刀布局模式难以同时满足这些要求的问题,提出一种基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法。通过对初始布局方案中的滚刀合理分组,并对组内滚刀极角施加微幅波动,建立初始布局方案集;引入不干涉条件对初始布局方案集进行初选,并以刀盘径向不平衡力、刀盘倾覆力矩、滚刀群质心偏斜量为评价指标对其进行灰关联分析计算,从而得到最优布局方案。引入采用螺旋线型滚刀布局模式的整体式刀盘和采用随机型滚刀布局模式的分体式刀盘,分别对其滚刀布局进行优化,整体式刀盘的各评价指标分别减小48%、99%、57%,分体式刀盘的各评价指标分别减小22%、59%、55%,表明了该方法的通用性和有效性。对优化前后的刀盘进行受力对比分析,发现刀盘的变形和应力未发生明显变化,表明该优化不会对刀盘刚度和应力分布产生不良影响。     

纳米压印模具及膜厚对抗蚀剂填充特性的影响

为了揭示模具深宽比、膜厚对抗蚀剂填充特性的影响规律,采用计算流体动力学方法对紫外纳米压印过程进行计算.计算模型考虑了表面张力、接触角等因素,计算分析不同模具凹槽深宽比、抗蚀剂初始膜厚时对应的抗蚀剂填充形貌.通过分析发现,在抗蚀剂初始膜厚一定的条件下,随着模具凹槽深宽比的减小,抗蚀剂倾向以双峰模式填充凹槽,填充廓线峰值点沿水平方向呈阶梯形迁移,深宽比越小,阶梯效应越明显.当抗蚀剂初始膜厚减小时,抗蚀剂填充方式将由单峰模式向双峰模式转换,在双峰模式下抗蚀剂填充率随填充时间的变化率呈明显的非线性特征.通过分析厚宽比TWR发现,单、双峰转换的临界范围为5∶8＜TWR＜2∶3.