本文關(guān)鍵詞：激光選區(qū)熔化微尺度熔池特性與凝固微觀組織　出處：《清華大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：激光選區(qū)熔化是金屬增材制造的主要技術(shù)途徑之一,常用于帶內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的異形金屬零部件成形,目前已得到廣泛重視和大量研究。但由于對其微結(jié)構(gòu)和微缺陷形成機(jī)制的認(rèn)識不足,其潛力尚未得到充分發(fā)揮,也制約了其應(yīng)用范圍。本文從微尺度熔池特性出發(fā),對激光選區(qū)熔化微結(jié)構(gòu)調(diào)控和跨尺度微觀組織形成等問題開展研究。以高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)金屬鎢為對象,開展了激光選區(qū)熔化表面球化問題研究,觀察分析了典型的表面球化凝固形貌,建立了將材料物性、工藝參數(shù)與球化現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)的“鋪展/凝固競爭模型”,揭示了球化現(xiàn)象的物理機(jī)制,并提出了抑制球化、提高致密度的方法。開展成形缺陷問題研究,采用同步輻射顯微CT對激光選區(qū)熔化Co-Cr-Mo合金缺陷進(jìn)行了三維形貌重構(gòu)。通過缺陷形貌分析和薄液膜流動穩(wěn)定性分析,認(rèn)為表面粗糙、熔池振蕩、脈沖激光反沖力、保護(hù)氣流剪切力、隨機(jī)分布的粉末粒子等各類擾動源是導(dǎo)致成形缺陷的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)基于掃描策略的激光選區(qū)熔化“缺陷自愈合現(xiàn)象”,逐層旋轉(zhuǎn)激光掃描方向有助于減少擾動源影響,抑制缺陷。不同的激光掃描策略形成不同的溫度場和熔池散熱方向,是調(diào)控、抑制缺陷的重要手段,同時也具有調(diào)控晶粒生長的能力。研究發(fā)現(xiàn)長條柱狀晶逐層外延生長現(xiàn)象,闡明了溫度場、流場耦合作用下的激光選區(qū)熔化晶粒擇優(yōu)生長規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)多種合金存在亞微米尺度的六角胞狀、伸長胞狀和條狀亞結(jié)構(gòu),認(rèn)為微熔池非平衡快速凝固與非線性熱毛細(xì)對流具有相互耦合作用,亞微米尺度結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與熔體熱毛細(xì)對流失穩(wěn)、貝納德對流胞和非平衡快速凝固的相互耦合作用有關(guān),受控于溫度梯度、表面張力梯度以及熔體粘度、熱擴(kuò)散系數(shù)等本征物理量。激光選區(qū)熔化的熔池尺寸較小(~100μm),重力影響可以忽略,表面張力主導(dǎo)。微尺度熔池內(nèi)存在極高的溫度梯度和表面張力梯度,可產(chǎn)生強(qiáng)對流失穩(wěn)和貝納德自組織結(jié)構(gòu);由于凝固速度極快,對流結(jié)構(gòu)可保留在凝固組織之中,進(jìn)而形成獨(dú)特的亞微米尺度結(jié)構(gòu)。這些亞微米尺度結(jié)構(gòu),與表面凝固形貌和快速凝固晶粒組織共同組成了激光選區(qū)熔化獨(dú)特的跨尺度微結(jié)構(gòu)。
[Abstract]:Laser selective melting is one of the main technical approaches for metal augmentation, which is often used in the forming of special-shaped metal parts with complex internal structures. At present, extensive attention has been paid and a lot of research has been done. However, due to the lack of understanding of its microstructure and mechanism of microdefect formation, its potential has not been fully exploited. Based on the characteristics of the micro-scale melting pool, the control of laser selective melting microstructure and the formation of cross-scale microstructure are studied in this paper. The high melting point and high thermal conductivity tungsten metal are taken as the object. The study on selective melting surface spheroidization of laser was carried out, and the typical surface spheroidization morphology was observed and analyzed. A "spreading / solidification competition model" was established which could relate material properties, process parameters and spheroidization phenomena. The physical mechanism of spheroidization was revealed, and the methods of restraining spheroidization and increasing density were put forward. Synchrotron radiation microCT was used to reconstruct the 3D morphology of laser fused Co-Cr-Mo alloy defects. The surface was considered to be rough by analyzing the defect morphology and the flow stability of thin liquid film. Molten pool oscillation, pulsed laser backstroke, protection of airflow shear force. Random distribution of powder particles and other disturbance sources are the main factors leading to forming defects. It is found that laser selective melting based on scanning strategy is "defect self-healing phenomenon". Layer by layer rotation of laser scanning direction is helpful to reduce disturbance source influence and suppress defects. Different laser scanning strategies form different temperature field and melting pool heat dissipation direction, which is an important means to control and suppress defects. At the same time, it has the ability to regulate grain growth. The phenomenon of epitaxial growth of long columnar crystals is found, and the temperature field is clarified. The preferential growth rule of laser selective melting grain under the interaction of flow field. It is found that there are sub-micron scale hexagonal, elongated and striped substructures in many alloys. It is considered that the nonequilibrium rapid solidification and nonlinear thermal capillary convection of the micromelting pool are coupled with each other, and the generation of submicron scale structure and the instability of the melt thermal capillary convection are also discussed. The coupling of Bernard convection cell and nonequilibrium rapid solidification is controlled by temperature gradient, surface tension gradient and melt viscosity. Thermal diffusion coefficient and other intrinsic physical quantities. The size of melting pool of laser selective melting is smaller than 100 渭 m, and the influence of gravity can be neglected. High temperature gradient and surface tension gradient exist in the micro-scale molten pool, which can produce strong convection instability and Bernard self-organization structure. Because of the high solidification rate, the convective structure can be retained in the solidified structure, and then form a unique sub-micron scale structure. Combined with surface solidification morphology and rapidly solidified grain structure, laser selective melting has a unique cross scale microstructure.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG665

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本文編號：1438466