【摘要】：本文建立了三維介觀尺度的激光吸收行為模型,以鋁合金及其復(fù)合材料粉末為材料對(duì)象展開研究,采用線跡追蹤法模擬選區(qū)激光熔化過程的激光吸收行為。該模型充分考慮了激光光線S極、P極偏振的菲涅爾吸收機(jī)制,粉末顆粒之間的相互作用以及粉末顆粒位置的隨機(jī)分布等因素,模擬接近實(shí)際加工過程的松散粉床模型在三維高斯光源作用下的激光吸收機(jī)制。在理想密排堆垛的模型中,討論了不同粒徑鋁合金粉末(10μm,20μm,30μm,40μm,50μm,60μm)粉床對(duì)激光的吸收率行為以及粉末顆粒表面的輻照度分布。研究發(fā)現(xiàn):粒徑較小的粉末顆粒會(huì)增強(qiáng)粉床對(duì)激光的多重反射作用,與激光產(chǎn)生交互作用的粉末顆粒較多,激光吸收率較高,粉末顆粒表面的輻照度較大,使粉床有足夠的激光能量輸入,提高熔池內(nèi)的溫度與累計(jì)的能量,進(jìn)而使粉末顆粒充分熔化,提高成形件的質(zhì)量。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性,本研究利用側(cè)面實(shí)驗(yàn)的方法,在相同的工藝參數(shù)下用不同粒徑的鋁合金粉末做單道實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行熔池成形質(zhì)量分析,得到粉末顆粒粒徑的影響規(guī)律與模擬結(jié)果一致。為了進(jìn)一步優(yōu)化粉床堆垛模型,本研究采用序列添加方法,得到了三維隨機(jī)分布堆垛粉床模型,并在此基礎(chǔ)上探究了增強(qiáng)相顆粒對(duì)基體粉床對(duì)激光吸收行為的影響。通過在鋁合金粉末隨機(jī)分布的基體粉床中添加小粒徑的SiC和TiB_2增強(qiáng)相顆粒,建立了鋁基復(fù)合材料的隨機(jī)分布粉床模型,然后采用線跡追蹤法模擬計(jì)算。研究得到:增強(qiáng)相粉末顆粒增加了粉床的受光面積,明顯提升了激光吸收率和顆粒輻照度分布,追跡光斑數(shù)量的明顯增多表明激光與粉末顆粒的交互作用明顯加強(qiáng),此外,由于SiC較優(yōu)的光學(xué)參數(shù),添加SiC顆粒的粉床比添加TiB_2顆粒的粉床對(duì)激光的吸收增強(qiáng)作用稍大。最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,通過SLM成形SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和TiB_2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料塊體并進(jìn)行顯微組織分析�？梢缘玫�,增強(qiáng)相顆粒的添加使激光輻射吸收更充分,熔池液相的溫度提升,有利于改善熔池中液固界面的潤濕行為,熔化過程中的液相能夠順利鋪展,相鄰激光掃描軌跡之間的冶金結(jié)合加強(qiáng)。對(duì)樣品進(jìn)行的SEM分析結(jié)果顯示,顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料形成的熔池體積更大,表面質(zhì)量更穩(wěn)定,致密化程度更高,反映到塊體的顯微硬度也更高,實(shí)驗(yàn)結(jié)果間接驗(yàn)證了模擬研究的影響規(guī)律的可靠性。
【圖文】：

鋁合金選區(qū)激光熔化的吸收行為模擬與實(shí)驗(yàn)研究Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)[19 21]，接下來我們?cè)敿?xì)沉積技術(shù)（LMD）技術(shù)結(jié)合了快速制造（增材制造）的逐層疊加的，，原材料實(shí)時(shí)同步送粉，具有噴粉成形的特點(diǎn)，在惰性氣體的末然后快速凝固，用特制的同軸噴嘴在工作臺(tái)基板上一層一。LMD 技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域有功能梯度材料成形、高附加涂層的制備等，并且由于其能夠廣泛靈活地實(shí)現(xiàn)材料選擇和領(lǐng)域取得一定的優(yōu)勢(shì)[22 24]。LMD 技術(shù)的成形裝置示意圖送粉系統(tǒng)、保護(hù)氣系統(tǒng)、帶有同軸噴嘴的光學(xué)系統(tǒng)以及其他

激光熔化（Selective Laser melting，SLM）是由德國的 Fraunhofer 激光技提出的，起初是為了解決選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering, SLS度，進(jìn)而提高組織的致密度的問題進(jìn)行的升級(jí)與優(yōu)化工作，之后在 和 Fockle 共同研發(fā)了第一臺(tái) SLM 設(shè)備。SLM 技術(shù)與 LMD 技術(shù)的最大采用的激光功率大小以及粉末的供給方式不同。SLM 與 SLS 技術(shù)的成形本相同，基本的工藝流程如圖 1.2 所示，分為以下幾步：（1）首先，在計(jì)三維建模模型并用專業(yè)切片軟件進(jìn)行切片處理，從而將想要成形的三維零截面切片數(shù)據(jù)；（2）其次，自動(dòng)鋪粉系統(tǒng)會(huì)從供粉缸向著成形臺(tái)均勻得鋪據(jù)切片數(shù)據(jù)信息，用高能激光束有選擇性地熔化粉層特定區(qū)域，在快速的截面；（3）接下來，成形缸活塞將會(huì)下降一層粉末厚的距離，物料缸活距離，重復(fù)第二步直至逐層累計(jì)形成原設(shè)計(jì)三維實(shí)體零件[38-39]。SLM 技在于將冶金機(jī)制演變?yōu)槿刍?凝固機(jī)制，形成較大的溫度梯度，具有極早期的 SLS 技術(shù)制備的零件相比，從顯微組織到力學(xué)性能都提升了，無獲得近乎完全致密的零件。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;TG665;TG146.21

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本文編號(hào)：2615183