發(fā)布時(shí)間：2020-04-02 03:45

【摘要】：摩擦磨損一直是機(jī)械工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn),減小摩擦副表面的摩擦系數(shù)具有提高機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性、節(jié)約能源等重要的意義。現(xiàn)有的研究表明,特殊的微織構(gòu)能夠減小摩擦副表面的摩擦系數(shù)。但是現(xiàn)有的加工工藝在制備微米尺寸的微織構(gòu)時(shí),成本相對(duì)較高且靈活性較差,難以滿足多尺度表面微織構(gòu)的制備需求。故本文提出激光選區(qū)熔化銅納米粉增材制造方法制備表面微織構(gòu),并從以下幾個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究,主要總結(jié)如下:1.利用解析模型與數(shù)值仿真研究激光作用銅納米粉層的熱學(xué)特性。根據(jù)輻射傳輸方程,建立了激光作用銅納米粉層的輻射傳輸?shù)刃Ｐ?并利用Two-Flux方法進(jìn)行求解得到了激光束作用銅納米粉層的能量分布情況。在此基礎(chǔ)上建立了納米粉層吸收激光誘導(dǎo)的體熱源模型,通過(guò)解析求解分析了銅納米粉層特性參數(shù)(粉層厚度、消光系數(shù))對(duì)體熱源分布輪廓的影響與規(guī)律。建立了激光作用銅粉層的溫度場(chǎng)有限元模型,通過(guò)溫度場(chǎng)仿真預(yù)測(cè)了激光單道掃描軌跡的寬度。結(jié)果表明,給定激光功率范圍內(nèi),單道寬度隨激光功率的增大呈線性增加,掃描速度對(duì)單道寬度的影響相對(duì)較小。2.配置銅納米粉分散液,利用自行搭建的試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展激光選區(qū)熔化銅納米粉的單道掃描、單層掃描及多層掃描試驗(yàn)研究。確定了穩(wěn)定單道燒結(jié)和高質(zhì)量平面燒結(jié)的工藝參數(shù)范圍,并分別分析了單道掃描軌跡與燒結(jié)表面的缺陷形式及其產(chǎn)生原因。通過(guò)多層掃描試驗(yàn)獲得了銅層厚度和表面質(zhì)量與掃描層數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明,在合理試驗(yàn)范圍內(nèi),單道寬度隨激光功率的增大呈線性增加,驗(yàn)證了仿真分析的正確性,工藝參數(shù)對(duì)單道高度的影響較小;掃描間距對(duì)燒結(jié)表面質(zhì)量的影響較大;穩(wěn)定多層燒結(jié)的最大厚度約為30μm。3.仿真分析了表面微織構(gòu)對(duì)摩擦副間潤(rùn)滑液膜的增壓特性,根據(jù)仿真結(jié)果利用激光選區(qū)熔化銅納米粉工藝制備了深寬比為0.2的方形微織構(gòu)表面。開(kāi)展了摩擦性能試驗(yàn),探究了工況條件、微織構(gòu)的尺寸和間距對(duì)微織構(gòu)減摩性能的影響。結(jié)果表明,尺寸為100μm×100μm、間距為200μm、深寬比為0.2的方形凸起微織構(gòu)表面在載荷為20N、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為220mm/s工況條件下的減摩性能最好,與無(wú)微織構(gòu)摩擦副表面相比,摩擦系數(shù)降低了49%。
【圖文】：

3.1 銅粉層特性參數(shù)對(duì)能量分布的影響由 2.1 分析可知，粉層的光學(xué)厚度 L對(duì)激光作用粉層的輻射傳輸過(guò)重要的影響，故本小節(jié)分析激光作用銅粉層的無(wú)量綱能量密度在不同光學(xué)條件下的變化規(guī)律。對(duì)于 的銅納米粉層，能量密度 q 可以簡(jiǎn)化為2 13(1 1 ) 3(1 )( )(4 3) e(4 3) e q (2本文選定激光波長(zhǎng)為 1070nm，在此波長(zhǎng)下，銅顆粒的反照率 0據(jù)式(2-50)可作厚粉層中無(wú)量綱能量密度 q 隨著銅粉層的無(wú)量綱深度 的曲線圖如圖 2-5 a)所示。對(duì)于薄粉層，由式(2-49)可作不同光學(xué)厚度 條件量綱能量密度 q 隨深度 的變化曲線如圖 2-5 b)所示。由圖的曲線可知，激用 的厚粉層時(shí)，能量密度 q 隨著深度 的增加顯著衰減，可穿透的深度約為 =8。且在 2區(qū)域，q 的衰減速度較快，與深度幾乎呈線性關(guān)系 2區(qū)域，q 的衰減速度逐漸減小。

提取仿真結(jié)果中溫度大于 1434K 的區(qū)域進(jìn)行討論，其形狀如圖 2-8 b所示。由圖 2-8 b)可知，此工藝參數(shù)條件下，銅納米顆粒的熔池穿透整個(gè)銅納米粉層的厚度方向并且與燒結(jié)基底產(chǎn)生交疊。由于 304 不銹鋼的熔點(diǎn)與銅納米顆粒相接近，可認(rèn)為此時(shí)基底局部也被熔化。因此，熔融狀態(tài)的金屬銅冷卻凝固后將固定在基底上實(shí)現(xiàn)金屬銅的燒結(jié)成型。而熔池與基底交疊區(qū)域的寬度為20μm，因此可預(yù)測(cè)激光功率為 10W、掃描速度為 20mm/s 條件下激光單道掃描燒結(jié)的銅線寬度約為 20μm。由上述仿真結(jié)果可知，銅粉層熔化區(qū)域的尺寸受激光功率和掃描速度的影響。當(dāng)激光功率過(guò)小、掃描速度過(guò)大時(shí)，銅納米粉層的熔化區(qū)域不能貫穿粉層的深度方向，，此時(shí)熔融狀態(tài)的銅凝固后不能固定在基底上。通過(guò)熔池與基底交疊區(qū)域的尺寸可預(yù)測(cè)激光單道掃描燒結(jié)的銅線軌跡的寬度。為了探究激光功率和掃描速度對(duì)單道燒結(jié)軌跡的寬度的影響規(guī)律，歸納仿真結(jié)果，作掃描速度為 20mm/s 時(shí)預(yù)測(cè)單道寬度與激光功率關(guān)系曲線和激光功率為 10W 時(shí)預(yù)測(cè)單道寬度與掃描速度的關(guān)系曲線如圖 2-9 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG665

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2611401