【摘要】：空間在軌增材制造被認(rèn)為是為實現(xiàn)未來深空探索“即造即用”后勤保障模式提供了可能,可大幅縮減進(jìn)行太空探索成本,因此亟需加快發(fā)展該技術(shù)。由于空間微重力環(huán)境的限制,研究證明高能束熔絲增材制造是未來金屬材料空間在軌制造的可行技術(shù)。針對目前金屬絲材增材制造側(cè)向送絲引起的成形方向性等問題,本文致力于開發(fā)環(huán)列式多激光束熔絲增材制造,研究其成形工藝特性,掌握關(guān)鍵工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響規(guī)律,為金屬絲材增材制造技術(shù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。本文以Ti-6Al-4V合金絲材為試驗材料,在真空環(huán)境下進(jìn)行了熔覆道和薄壁件成形,研究了其工藝特性與組織性能,優(yōu)化了工藝參數(shù),并基于此完成三種典型樣件的成形。對于單道單層熔覆道,研究表明:環(huán)列式多激光束熔絲增材制造技術(shù)消除了激光束方向性帶來的影響,實現(xiàn)各向同性。掃描速度和激光功率對熔覆道形貌和寬高比的影響較大,寬高比隨著掃描速度和激光功率的增大而增大,送絲速度和離焦量的影響較小。單層單道熔覆道中,組織多為針狀馬氏體?',隨著掃描速度的增大,組織中針狀?'尺寸減小,隨著激光功率、離焦量的增大,晶粒尺寸變大,送絲速度對組織影響較小;隨著送絲速度的增大,熔覆道硬度逐漸減小,負(fù)離焦時熔覆道的硬度明顯小于正離焦時,掃描速度和激光功率對熔覆道硬度影響較小。在單層多道搭接成形中,隨著掃描間距的增大,熔覆道未熔合縫隙和輪廓最大高度呈增大趨勢,熔覆道交界處存在細(xì)小針狀?',且交界處硬度明顯比熔覆道硬度大。對于單道多層薄壁件,弓字形掃描路徑成形的薄壁件長度損失較少。薄壁件一般第1層寬度大于第2層,從第2層開始,各層寬度先增大后逐漸保持不變。薄壁件頂部組織主要為細(xì)長的針狀馬氏體?',中部主要為短小的桿狀α交叉形成的網(wǎng)籃組織,底部主要為短棒狀α相。由于頂部較多的?'相,硬度高于其它部位;分析了z軸增量和偏移量對薄壁件成形的影響規(guī)律,確定了合適的參數(shù)。基于以上研究,選擇優(yōu)化后的工藝參數(shù),設(shè)計了方框形、圓筒形和傾斜圓筒形三種典型樣件的成形。通過設(shè)置圓角和重合角度分別解決了成形過程中拐角和熔覆道首尾熔合差等問題,提高成形穩(wěn)定性,得到形貌較好的樣件。
【圖文】：

為未來太空制造打下基礎(chǔ)。之后 Karen 等[11]利用 EBF3技2219 鋁合金的成形制造，確定了工藝窗口，研究了掃描速度、送絲速率對微觀組織、力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明 EBF3技術(shù)工藝窗口得無缺陷、性能好的成形件，拉伸性能對工藝參數(shù)不敏感，在接下了更好進(jìn)行熱管理，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝，得到了工藝-組織-性能的omack 等[12]進(jìn)一步研究了 2219 鋁合金 EBF3成形過程中，微觀組織對控機(jī)制。Matz 等[13]針對 718 合金的 EBF3成形，基于工藝參數(shù)和合預(yù)測碳化物最大尺寸的模型。Snyder 等[14]將 3D 打印機(jī)置于不同重力試驗，研究重力加速度對成形精度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著重力加速形件的層間距離越小。Gentry 等[15]利用增材制造技術(shù)在微重力環(huán)境物細(xì)胞簇，，并成功制造出非活性結(jié)構(gòu)性的骨質(zhì)和牙齒琺瑯質(zhì)。目前，失重飛機(jī)上進(jìn)行了短時微重力 EBF3成形試驗，觀測到電子束熔融金成形過程（如圖 1.2 所示），發(fā)現(xiàn)微重力條件下表面張力作用對成形響。

圖 1.2 NASA 失重飛機(jī)電子束自由成形試驗Fig.1.2 Electron beam free-formation test for weightless airplanes by NASA與美國 NASA 一樣，歐洲航天局（ESA）也正在積極研究 3D 空間打印技術(shù)。2013 年 1 月，ESA 啟動了“以實現(xiàn)高技術(shù)金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費為目標(biāo)的增材制造項目”（AMAZE 計劃）。AMAZE 計劃應(yīng)用領(lǐng)域包括兩個方向：（1）快速生產(chǎn)大型零缺陷增材制造金屬零件（2m 以上），產(chǎn)品應(yīng)用于科技含量較高的航空航天、空間站、核聚變等領(lǐng)域。（2）找到適用于太空的金屬 3D 打印技術(shù)，將 3D 打印機(jī)送上國際空間站。未來進(jìn)一步應(yīng)用 3D 打印技術(shù)，利用月球現(xiàn)成的風(fēng)化層土壤在月球上制造可供 4 人居住的設(shè)施。此外，英國伯明翰大學(xué)[16]則采用金屬絲材電加熱熔化成形技術(shù)，其系統(tǒng)示意圖見圖 1.3，目前該新型 3D 打印機(jī)在 ESA微重力模擬中進(jìn)行了測試，主要是針對鋁合金開展打印研究工作。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG665;TN249

【參考文獻(xiàn)】

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1 李凱斌;李東;劉東宇;于治水;;側(cè)向送絲光纖激光單道熔覆層組織[J];焊接學(xué)報;2014年10期

2 李壯;康少憐;于歡歡;姜行;仇大同;于濤;李朝華;;TC4鈦合金冷卻過程中組織變化分析[J];沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報;2014年05期

3 甘章華;梁宇;王錦林;劉靜;;熱處理工藝對TC4鈦合金組織及硬度的影響[J];金屬熱處理;2014年09期

4 王華明;;高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造:若干材料基礎(chǔ)問題[J];航空學(xué)報;2014年10期

5 石世宏;傅戈雁;李龍;王永康;;中空激光光內(nèi)同軸送絲熔覆工藝的實現(xiàn)及其試驗研究[J];中國激光;2010年01期

6 烏日開西.艾依提;趙萬華;盧秉恒;;基于微束等離子焊的快速成形中成形參數(shù)的優(yōu)化[J];西安交通大學(xué)學(xué)報;2006年05期

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1 李洪遠(yuǎn);激光光內(nèi)同軸送絲熔覆快速制造技術(shù)研究[D];蘇州大學(xué);2012年

本文編號：2662434