發(fā)布時間：2019-10-24 03:33

【摘要】：激光熔覆技術(shù)是一種重要的先進(jìn)制造技術(shù),它被廣泛的應(yīng)用于零件的修復(fù)和表面改性中。近年來,以此為基礎(chǔ)發(fā)展出了激光熔融沉積成型技術(shù),作為增材制造技術(shù)中的一種,更是有著廣闊的發(fā)展前景。激光熔覆的質(zhì)量和效率對粉末在熔覆頭噴嘴內(nèi)部和外部的流動特性有密切關(guān)系。為了獲得不同工業(yè)應(yīng)用條件下的最佳送粉參數(shù),對噴嘴結(jié)構(gòu)和粉末流動與匯聚特性進(jìn)行深入研究具有重要的意義。本文以同軸環(huán)形送粉噴嘴、同軸三束流送粉噴嘴為研究對象,基于Fluent、Flow3D流體計(jì)算軟件,分別建立了氣-固兩相流的粉末流動模型以及氣-液-固多相耦合的粉末與熔池相互作用模型,對激光熔覆過程中粉末在噴嘴內(nèi)部及出射后的流動特性,粉末與激光及熔池間的相互作用進(jìn)行了研究分析,并通過高速攝像及實(shí)際熔覆層幾何尺寸比對驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。同時也通過對粉末與激光、粉末與熔池作用過程的高速攝像拍攝,分析并解釋了激光熔覆過程中三者相互作用中的特殊現(xiàn)象及其影響因素。研究發(fā)現(xiàn),對于依靠三根送粉管路傳輸粉末的同軸三束流噴嘴,粉末在噴嘴內(nèi)管路內(nèi)壁的碰撞會導(dǎo)致粉末流在噴嘴出口處的發(fā)散,通過提高管路長度,增大載粉氣流量,減小粉末粒徑等手段可以獲得更小的粉斑尺寸。通過對不同工藝條件下粉末流動特性的模擬分析,解釋了同軸環(huán)形噴嘴能夠獲得更小粉斑尺寸以及同軸三束流噴嘴具有更好魯棒性的原因。通過對激光與粉末相互作用過程進(jìn)行高速攝像拍攝,發(fā)現(xiàn)了粉末在激光輻照下的特殊變化過程,探究了激光在不同功率及離焦量變化情況下粉末的物態(tài)變化,認(rèn)為激光光斑與粉末匯聚焦斑存在一定離焦量的情況下粉末可以較好的被激光輻照,同時也不會發(fā)生過度燒蝕。通過對粉末與熔池相互作用的模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),粉末會對熔池流動造成較大影響,由無粉末注入狀態(tài)下的中心向外發(fā)散的流動轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜多渦流狀態(tài)。采用高速攝像對熔覆過程中熔池區(qū)域進(jìn)行拍攝,發(fā)現(xiàn)熔覆層表面粘粉的主要原因是由于粉末射入了熔池側(cè)方及后方的熔合線上,對于射入熔池前方熔合線的粉末,可以隨著熔池的運(yùn)動被熔化。通過調(diào)整工藝參數(shù),提高熔池大小或熔池長度,可以較為有效地減少熔覆層表面粘粉。
【圖文】：

a) 旁軸噴嘴 b) 同軸環(huán)形噴嘴 c) 同軸三束流噴嘴圖 1-1 不同類型噴嘴的粉末流形貌旁軸噴嘴的結(jié)構(gòu)一般較為簡單，只存在一條送粉管路。然而對于同軸構(gòu)大多數(shù)比較復(fù)雜。如圖 1-2 所示，，其中圖 1-2 a)為文獻(xiàn)中某同軸環(huán)內(nèi)部特殊構(gòu)造，可以明顯看出內(nèi)部激光同軸保護(hù)氣通道采用了階梯式噴嘴外部含有水冷套筒以防止長時間工作造成的噴嘴過熱；圖 1-2 ecitec YC52 型同軸激光熔覆頭的噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其內(nèi)部有許計(jì)的金屬塊固定在噴嘴上方，這種設(shè)計(jì)是為了更好的讓粉末在噴嘴內(nèi)合，從而能夠均勻的從環(huán)形噴嘴出口處射出。

a) 旁軸噴嘴 b) 同軸環(huán)形噴嘴 c) 同軸三束流噴嘴圖 1-1 不同類型噴嘴的粉末流形貌旁軸噴嘴的結(jié)構(gòu)一般較為簡單，只存在一條送粉管路。然而對于同軸噴結(jié)構(gòu)大多數(shù)比較復(fù)雜。如圖 1-2 所示，其中圖 1-2 a)為文獻(xiàn)中某同軸環(huán)的內(nèi)部特殊構(gòu)造，可以明顯看出內(nèi)部激光同軸保護(hù)氣通道采用了階梯式時噴嘴外部含有水冷套筒以防止長時間工作造成的噴嘴過熱；圖 1-2 b)Precitec YC52 型同軸激光熔覆頭的噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其內(nèi)部有許設(shè)計(jì)的金屬塊固定在噴嘴上方，這種設(shè)計(jì)是為了更好的讓粉末在噴嘴內(nèi)混合，從而能夠均勻的從環(huán)形噴嘴出口處射出。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG174.4;TG665

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2552359