本文關鍵詞：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》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 激光選區(qū)熔化 球化現(xiàn)象 缺陷 柱狀晶 亞晶粒結構

【摘要】：激光選區(qū)熔化是金屬增材制造的主要技術途徑之一,常用于帶內部復雜結構的異形金屬零部件成形,目前已得到廣泛重視和大量研究。但由于對其微結構和微缺陷形成機制的認識不足,其潛力尚未得到充分發(fā)揮,也制約了其應用范圍。本文從微尺度熔池特性出發(fā),對激光選區(qū)熔化微結構調控和跨尺度微觀組織形成等問題開展研究。以高熔點、高熱導金屬鎢為對象,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)象相關聯(lián)的“鋪展/凝固競爭模型”,揭示了球化現(xiàn)象的物理機制,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合金缺陷進行了三維形貌重構。通過缺陷形貌分析和薄液膜流動穩(wěn)定性分析,認為表面粗糙、熔池振蕩、脈沖激光反沖力、保護氣流剪切力、隨機分布的粉末粒子等各類擾動源是導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,是調控、抑制缺陷的重要手段,同時也具有調控晶粒生長的能力。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構,認為微熔池非平衡快速凝固與非線性熱毛細對流具有相互耦合作用,亞微米尺度結構的產生與熔體熱毛細對流失穩(wěn)、貝納德對流胞和非平衡快速凝固的相互耦合作用有關,受控于溫度梯度、表面張力梯度以及熔體粘度、熱擴散系數(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。微尺度熔池內存在極高的溫度梯度和表面張力梯度,可產生強對流失穩(wěn)和貝納德自組織結構;由于凝固速度極快,對流結構可保留在凝固組織之中,進而形成獨特的亞微米尺度結構。這些亞微米尺度結構,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)熔化獨特的跨尺度微結構。
[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.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG665

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李斌,王恩剛,張紅偉,赫冀成;金屬凝固微觀組織數(shù)值模擬研究進展[J];材料與冶金學報;2002年02期

2 楊付雙,倪鋒,楊滌心,龍銳;金屬凝固微觀組織數(shù)值模擬的研究進展[J];鑄造技術;2005年04期

3 張小立，李應泉，，殷為宏;粉末搭配對鎢燒結坯密度及微觀組織的影響[J];稀有金屬材料與工程;1996年01期

4 于艷梅 ,楊根倉,趙達文,呂衣禮;凝固微觀組織數(shù)值模擬的研究進展[J];特種鑄造及有色合金;2002年03期

5 李強,袁祖貽,繆龍秀,王潤志,孫元德,鄒洪壽;不同微觀組織對巴克豪生噪聲影響的理論分析[J];北方交通大學學報;1996年04期

6 趙海東,柳百成,劉蔚羽,王東濤;球墨鑄鐵件微觀組織的數(shù)值模擬[J];機械工程學報;2000年02期

7 秦江陽,王印培,柳曾典;16MnR在韌脆轉變區(qū)的微觀組織與性能研究[J];理化檢驗(物理分冊);2001年03期

8 劉燕;高仁強;;新型化學腐蝕劑快速顯示不銹鋼微觀組織[J];甘肅冶金;2013年05期

9 王海帥;王樹奇;朱韜;茅奕舒;余建平;;微觀組織對3Cr13鋼沖蝕行為的影響[J];鋼鐵釩鈦;2012年05期

10 李文珍,柳百成,金山同;球墨鑄鐵微觀組織形成的數(shù)值模擬[J];北京科技大學學報;1997年03期

相關會議論文 前10條

1 郭洪民;楊湘杰;京玉海;;鋁合金凝固微觀組織數(shù)值模擬[A];第八屆全國塑性加工學術年會論文集[C];2002年

2 郭洪民;楊湘杰;京玉海;;鋁合金凝固微觀組織數(shù)值模擬[A];第二屆半固態(tài)金屬加工技術研討會論文集[C];2002年

3 劉俊華;臧順來;聶祥樊;;激光沖擊鈦合金的微觀組織有限元仿真研究[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

4 劉朝陽;齊歡;;鎳基單晶高溫合金激光多道搭接熔覆過程晶體生長行為和微觀組織分布的研究[A];第15屆全國特種加工學術會議論文集（下）[C];2013年

5 康進武;王碩;張馳;沈厚發(fā);柳百成;;大型水輪機葉片鑄件鑄態(tài)微觀組織的數(shù)值模擬[A];第五屆中國環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)鑄造論壇論文集[C];2013年

6 謝志毅;何鐵寧;羅超;王震宏;趙曉平;;鈾鈮合金鑄造過程微觀組織數(shù)值模擬[A];第二屆中國CAE工程分析技術年會論文集[C];2006年

7 宋曉云;王永玲;葉文君;惠松驍;劉睿;于洋;;Ti62421S高溫鈦合金的微觀組織和力學性能[A];第16屆全國疲勞與斷裂學術會議會議程序冊[C];2012年

8 肖旋;許輝;秦學智;郭永安;郭建亭;周蘭章;;兩種鑄造高溫合金熱疲勞過程中微觀組織演化[A];第十二屆中國高溫合金年會論文集[C];2011年

9 劉磊;孫志超;楊合;樊曉光;;變形歷程對TA15鈦合金等溫局部近β鍛微觀組織的影響[A];第十四屆全國鈦及鈦合金學術交流會論文集（下冊）[C];2010年

10 王清瑞;沙愛學;懂曦曦;;TC18鈦合金流變應力-應變關系及對微觀組織影響[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

相關博士學位論文 前5條

1 鄭超;微觀組織對Ti-6Al-4V鈦合金動態(tài)力學性能和抗彈性能影響規(guī)律的研究[D];北京理工大學;2015年

2 周鑫;激光選區(qū)熔化微尺度熔池特性與凝固微觀組織[D];清華大學;2016年

3 熊愛明;鈦合金鍛造過程變形—傳熱—微觀組織演化的耦合模擬[D];西北工業(yè)大學;2003年

4 陳繼兵;快速熱疲勞對無鉛微焊點性能和微觀組織的影響[D];華中科技大學;2013年

5 樂國敏;SPS制備細晶鋁的形變微觀組織與力學性能研究[D];清華大學;2013年

相關碩士學位論文 前10條

1 王曉良;基于微觀組織預測的TC4葉片精鍛過程數(shù)值模擬[D];沈陽理工大學;2015年

2 宋健;高壓扭轉工藝對7A60超強鋁合金的組織及力學性能影響[D];合肥工業(yè)大學;2015年

3 孫珊珊;卸載循環(huán)對Q&P980鋼微觀組織影響的研究[D];吉林大學;2016年

4 魏澤民;鋼絲索氏體微觀組織尺寸控制及相變條件研究[D];貴州大學;2015年

5 梁軒領;微觀組織和晶粒取向對無鉛釬料焊點可靠性的影響[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

6 齊龍;基于CAFE對方鎂石凝固結晶的微觀組織數(shù)值模擬[D];東北大學;2013年

7 趙婷;不同應力狀態(tài)下2024鋁合金板的流變行為和微觀組織演化行為研究[D];華中科技大學;2015年

8 陳昊;沖擊波在銅板中的傳播及對微觀組織的影響[D];南京理工大學;2007年

9 張傳;氧化鋁基金屬陶瓷的制備與微觀組織研究[D];東南大學;2004年

10 尹宗美;TA15鈦合金熱加工本構模型及微觀組織預測研究[D];燕山大學;2014年

本文編號：1438466