發(fā)布時間：2020-04-01 17:07

【摘要】：在近三十年,“增材制造”得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究,迄今,已發(fā)展出多種比較成熟的增材制造技術(shù),但這些技術(shù)仍然面臨使用成本高、制件性能不佳等問題。為了在解決這些問題方面有所貢獻(xiàn),本文提出了氣動擠出金屬直寫沉積成形技術(shù),該技術(shù)結(jié)合了恒壓驅(qū)動與擠出直寫沉積成形的優(yōu)點,是一種金屬零件直接制造技術(shù),其工作原理是:金屬材料被加熱熔化后,在恒壓驅(qū)動下,金屬熔液被連續(xù)均勻擠出,同時,基板沿數(shù)控程序控制的運動軌跡運動,金屬熔液在基板沉積并形成金屬零件。依靠熱管理策略控制直寫沉積成形過程中的熱轉(zhuǎn)移,使沉積層間的結(jié)合方式為冶金結(jié)合,以提高最終的金屬零件的強(qiáng)度。氣動擠出金屬直寫沉積成形技術(shù)是一種有潛在應(yīng)用價值的低成本技術(shù),可使用的成形材料多種多樣。本文就該技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)問題作了探索研究,主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下:本文首先對氣動擠出金屬直寫沉積成形技術(shù)的工作原理和直寫沉積成形系統(tǒng)的總體架構(gòu)作了詳細(xì)闡述,并搭建了氣動擠出金屬直寫沉積成形實驗裝置。該直寫沉積成形系統(tǒng)主要由三個子系統(tǒng)組成:運動控制與執(zhí)行、氣壓監(jiān)測與控制和溫度控制。本文對各子系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)作了說明。探討了直寫沉積成形系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件的設(shè)計和制造要點,包括孔的加工方式選擇,密封材料選擇與密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用搭建的金屬直寫沉積成形裝置,實現(xiàn)了金屬熔液的受控直寫沉積成形,為后續(xù)的研究工作提供了可靠的硬件基礎(chǔ)。利用流體力學(xué)相關(guān)理論,分析了噴嘴結(jié)構(gòu)對金屬熔液流動的影響。理論分析結(jié)果表明,在噴嘴結(jié)構(gòu)中增加節(jié)流孔,可以達(dá)到減小金屬熔液流量的目的,進(jìn)而獲得精度更高的金屬線。為分析節(jié)流孔對金屬熔液的流動行為的影響,建立了金屬熔液在噴嘴中流動的物理模型,并利用ANSYS CFX軟件對金屬熔液在噴嘴中的流動行為進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明,金屬熔液在流經(jīng)節(jié)流孔的過程中,流體動能有所損失,最終導(dǎo)致金屬熔液流量減小,減小幅度約為28%。為檢驗物理模型的可靠性,將模擬值和實驗值作了對比分析,結(jié)果表明本文建立的物理模型和數(shù)值模擬是有效的理論分析工具�；趥鳠釋W(xué)相關(guān)理論,本文建立了金屬熔液在直寫沉積成形過程中的冷卻物理模型,推導(dǎo)得出描述金屬線溫度分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并以此繪制出金屬線溫度隨路徑變化的曲線。利用這些曲線,分析了金屬熔液的凝固時間。通過實驗和檢測樣品,分別討論了基板速度、基板和噴嘴間的距離、金屬熔液溫度和基板溫度對金屬線的形貌、微觀組織和硬度的影響。借助實驗和拉伸測試,初步分析了熨壓作用對金屬線力學(xué)性能的影響,但熨壓作用對金屬材料力學(xué)性能的影響的工作機(jī)理,還需要進(jìn)一步研究。在“控形控性”研究基礎(chǔ)上,進(jìn)行層間結(jié)合機(jī)理研究,討論分析了實驗參數(shù)對層間結(jié)合的影響。在前面章節(jié)的研究基礎(chǔ)之上,合理設(shè)定實驗參數(shù),利用前述直寫沉積成形裝置,成功制備出二維平面圖形和三維實體,這說明氣動擠出金屬直寫沉積成形原理具有可行性。制備出的三維實體包括薄壁實體、斜壁實體和厚壁實體三類,對金屬實體直寫沉積成形過程中出現(xiàn)的問題作了討論與分析。
【圖文】：

圖 1-1 3DP 結(jié)合鑄造技術(shù)制造蜂窩結(jié)構(gòu)金屬零件[28]直接金屬零件增材制造接法是用金屬材料直接制造零件，，它又可以分為高能束輔助和無高能束輔輔助直接金屬零件增材制造的一般過程是：成形材料在高能束(例如激光束輻照下，在指定位置熔化后凝固成形。這類工藝以 SLS、SLM、EBM、L立體自由成形(Electron Beam Solid Freeform Fabrication, EBF3)[29, 30]為典型LS、SLM、EBM、LENS 和 EBF3 都需要價格昂貴的高能束設(shè)備，其工藝無高能束輔助直接金屬零件增材制造技術(shù)的成本相對較低,鑒于此，低成本增材制造技術(shù)的研究與開發(fā)成為了金屬零件增材造技術(shù)的又一個研究方向類直接金屬零件增材制造技術(shù)，其中的代表是熔滴沉積工藝，其一般過程在到達(dá)沉積位置前以熔融態(tài)微滴形式存在，微滴到達(dá)沉積位置后與已沉積屬熔滴按需累積最終形成金屬零件。此外，還有學(xué)者研究開發(fā)了其他低成

31]。粉床選區(qū)熔融沉積工藝包括SLS、SLM和EBM，工藝原理如圖1-2[32, 33]所示，高能束束斑按照設(shè)定的運動軌跡輻照預(yù)置粉床，金屬粉末因高能束的熱效應(yīng)形成熔池，高能束束斑移開后，熔池凝結(jié)形成沉積層。完成一層沉積層后，
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG306

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3 曉松;低溫金屬沉積工藝[J];粉末冶金工業(yè);2003年05期

4 吳任東,王青崗,顏永年,徐國賢;直接金屬沉積成形工藝研究[J];熱加工工藝;2004年01期

5 李晴宇;直接金屬沉積法制備梯度功能零件[J];稀有金屬快報;2001年03期

6 張漢昌,吳守國,芮蕾,席晗密;激光在無電金屬沉積中的應(yīng)用[J];應(yīng)用激光;2001年03期

7 ;GKN航宇公司開發(fā)大型鈦合金激光金屬沉積工藝[J];特種鑄造及有色合金;2017年07期

8 黃濤;宋立軍;李思萌;;激光直接金屬沉積熔池溫度控制作用研究[J];應(yīng)用激光;2019年06期

9 龍日升;劉偉軍;卞宏友;邢飛;;掃描方式對激光金屬沉積成形過程熱應(yīng)力的影響[J];機(jī)械工程學(xué)報;2007年11期

10 Mutiu F.ERINOSHO;Esther T.AKINLABI;Sisa PITYANA;;工藝參數(shù)對激光金屬沉積銅鈦合金復(fù)合材料的影響（英文）[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2015年08期

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4 孫桂芳;張永康;劉常升;;激光輔助直接金屬沉積Co-285和Co-285+WC[A];第八屆全國表面工程學(xué)術(shù)會議暨第三屆青年表面工程學(xué)術(shù)論壇論文集（六）[C];2010年

5 王金意;蔡文斌;;基于自組裝和噴墨打印技術(shù)的定位金屬沉積[A];第十三次全國電化學(xué)會議論文摘要集（下集）[C];2005年

6 何春;張漢霞;熊亞;李湘中;;納米Ag-TiO_2/ITO光電催化膜的制備及其光電催化活性的研究[A];2004年全國太陽能光化學(xué)與光催化學(xué)術(shù)會議論文集[C];2004年

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本文編號：2610729