本文關(guān)鍵詞：選區(qū)激光熔化納米TiC增強(qiáng)Al基復(fù)合材料數(shù)值模擬及實驗研究

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【摘要】：本文針對選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形納米TiC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料過程,建立了三維瞬態(tài)有限體積模型,模型中考慮了由粉體轉(zhuǎn)變至實體過程中材料熱物性參數(shù)的非線性變化、溫度梯度引起的表面張力梯度和能量呈高斯分布的移動激光熱源,研究了不同激光功率P和掃描速度V下熔池中熔體的熱行為、熔池的三維尺寸及液相存在時間的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):由表面張力梯度引起的Marangoni流對于熔池中熱量的傳遞及熔池三維形貌的改變起著重大作用;當(dāng)增大激光功率或減小掃描速度時,熔池中熔體的最高溫度、液相存在時間和熔池的三維尺寸都隨之增大;熔池中最大溫度梯度隨著激光功率的增大而明顯增大,但隨著掃描速度的增大卻呈現(xiàn)出略微增大的變化趨勢。利用實驗方法觀察了SLM制備的TiC/AlSi10Mg試樣的層間結(jié)合性、致密化行為及表面形貌,結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)P=150 W、V=400mm/s時,SLM成形的試樣致密化程度高、冶金結(jié)合良好,且無明顯裂紋和孔隙;當(dāng)P=100 W、V=150 mm/s時,試樣表面光滑、無“球化”現(xiàn)象產(chǎn)生。進(jìn)一步研究了單位長度激光能量密度(Laser Energy Per Unit Length,LEPUL)對熔池中傳熱傳質(zhì)、流體流動及顆粒重排機(jī)制的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):隨著LEPUL的增大,熔池中Marangoni流變得更加劇烈,熱毛細(xì)力也隨之增大;同時,更高的激光激光能量輸入將產(chǎn)生更多的液相量并提高潤濕性,從而降低作用在TiC陶瓷顆粒上的粘滯阻力,有利于增強(qiáng)相顆粒在熔池中充分運(yùn)動。利用實驗方法觀察了試樣的顯微組織及TiC顆粒在基體上的分布狀態(tài),結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著LEP UL的增大,TiC顆粒從嚴(yán)重團(tuán)聚逐漸變?yōu)榫鶆驈浬⒎植荚诨w上,且TiC顆粒平均尺寸也隨之增大,當(dāng)LEPUL達(dá)到1000 J/m時,TiC顆粒平均尺寸增至134 nm,失去原先的納米結(jié)構(gòu)。引入了能量密度呈高斯分布的激光體熱源,數(shù)值模擬了不同增強(qiáng)相含量下熔池中的溫度場及顆粒周圍的速度場。研究表明:增大TiC含量有利于提高粉末系統(tǒng)的激光吸收率,進(jìn)而提高熔池的溫度并增大熔池的三維尺寸;當(dāng)TiC含量增至5.0 wt.%時,TiC顆粒周圍出現(xiàn)環(huán)流,且環(huán)流的半徑隨著TiC含量增大而增大。觀察了試樣中TiC顆粒在基體上的分布情況,隨著TiC含量的增加,TiC顆粒從無規(guī)則分布狀態(tài)到新穎的環(huán)狀結(jié)構(gòu)分布,實驗與模擬結(jié)果相匹配。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB333

【參考文獻(xiàn)】

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