激光熔化沉積（Laser Melting Deposition,LMD）技術(shù)是一種新型的激光增材制造（Laser Additive Manufacturing,LAM）技術(shù),具有十分廣闊的應(yīng)用前景。然而,LMD成形是一個局部快速加熱并冷卻的非穩(wěn)態(tài)過程,其引起的溫度場和應(yīng)力場極其復(fù)雜,容易導(dǎo)致部件產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力和裂紋等缺陷。基于此,本文以核電應(yīng)急柴油機(jī)凸輪軸用12CrNi2合金鋼材料為研究對象,采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,使用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言（ANSYS Parametric Design Language,APDL）編寫 了移動熱源程序,并利用單元生死技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金屬粉末的同步添加過程,建立了LMD過程溫度場、應(yīng)力場有限元分析模型,重點(diǎn)研究了不同工藝參數(shù)（打印方式、激光功率、打印速度、預(yù)熱溫度）下LMD過程溫度場及應(yīng)力場分布規(guī)律,對解決高性能合金鋼構(gòu)件激光增材制造控形控性這一關(guān)鍵科學(xué)問題具有重要指導(dǎo)意義。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:（1）開展了 12CrNi2合金鋼LMD實(shí)驗(yàn)研究,獲得較優(yōu)的工藝參數(shù),并對沉積層的宏觀和微觀形貌進(jìn)行了觀察分析。研究發(fā)現(xiàn),較優(yōu)的工藝參數(shù)為激光... 

【文章來源】：北京化工大學(xué)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：92 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖２－１?ＬＭＤ過程中粉末與激光相互作用示意圖［２３］??Ｆｉｇ．２－１?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐｏｗｄｅｒ?ａｎｄ?ｌａｓｅｒ?ｉｎ?ＬＭＤ?ｐｒｏｃｅｓｓ??

?北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文???圖２－２表示激光高斯輻射分布圖，在某一激光功率下，隨著粉末送粉速率的增加，??粉末流平均溫度的會降低，激光能量逐漸衰減。由圖可知激光功率衰減很明顯，在激??光束中心，衰減后的激光功率與原始激光功率之比是最低的，這表明更多的能量被距??離激光束中心最近的粉末吸收，甚至在金屬粉末下落過程中就發(fā)生了熔化［２３，７４，７５］。作??者在本文所采用送粉速率為ｌｌｇ／ｍｉｍ以圖２－２中的數(shù)據(jù)為參考，確定穿過粉末到達(dá)??基板表面的能量約占激光總輸入能量的０．７５￣０．７８。??０．９???——???????｜?６ｇｒ／ｍｍ???一－一＇??０．８５?一??｜?Ｚ＾??－０．８?－?＿???？?一－－?—??３?１０?ｇｒ／ｔｒＵｎ?，１??Ｓ?一一，??２〇．７Ｓ?—?一一??〇??ｔｃ??０?０．１?０．２?０．３?０．４?０．５?０．６?０．７??Ｒａｄｉａｌ?Ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｔｏ?Ｌａｓｅｒ?Ｂｅａｍ?Ｃｅｎｔｅｒ?（ｍｍ）??圖２－２高斯輻射分布圖Ｍ??Ｆｉｇ．２－２?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ａ?Ｇａｕｓｓｉａｎ?ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ??２．１．２激光與基板的相互作用??由上一節(jié)的討論可知，穿過粉末流到達(dá)基板表面的能量＆約占激光總能量的??０．７５￣０．７８，但是這一部分能量也沒有全部被沉積過程所吸收。４５號鋼金屬基板表面對??激光有一定的反射作用，一般在建模過程中通過引入一個激光表面耦合系數(shù)或者特征??吸收率（吸收系數(shù)）來近似計算熔池區(qū)域所吸收的激光功率。耦合系數(shù)范圍在０．１５??到０．５之間，它取決于所使用的激光類

?第二章激光熔化沉積有限元分析理論???２．４激光熔化沉積有限元計算模型??２．４．１熱源模型??ＬＭＤ過程中，位于光斑范圍內(nèi)的金屬材料被激光束加熱熔化，激光束的能量密??度服從高斯分布，最大的能量密度位于光斑中心處，激光能量密度隨著遠(yuǎn)離光斑中心??而持續(xù)衰減，故激光熱源模型選擇與此相符的高斯面熱源，如圖２－４所示。??Ａ??％??圖２－４高斯熱源模型示意圖??Ｆｉｇ．２－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｇａｕｓｓｉａｎ?ｈｅａｔ?ｓｏｕｒｃｅ?ｍｏｄｅｌ??高斯熱源模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：??３ｒｉＰ?３ｒ２??＾ｒ（ｒ）?＝?－＾ｅｘｐ（－—）?（２－２４）??ｎＫ?ｋ??式中，以ｒ）——激光熱流密度，Ｗ／ｍ２；??Ｒ?激光光斑半徑，ｍ；??ｒｊ——激光能量吸收率；??Ｐ——激光功率，Ｗ；??ｒ—計算點(diǎn)到熱源中心的距離，ｍ。??２．４．２相變潛熱??在ＬＭＤ過程中，存在固相一液相一固相的轉(zhuǎn)變，期間材料會不斷吸收或者釋放??大量的熱量稱之為相變潛熱。因此，在建立有限元模型時必須考慮相變潛熱的問題。??ＡＮＳＹＳ處理潛熱的方法為熱焓法，即采用隨溫度變化的熱焓法來定義潛熱，其表達(dá)??式為：??１９??

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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[2]TC4鈦合金表面納米顆粒增強(qiáng)的鈦鋁激光熔覆涂層制備及仿真研究[D]. 陳竹.南京航空航天大學(xué) 2016
[3]選區(qū)激光熔化TiNi形狀記憶合金熱—力耦合數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 何貝貝.南京航空航天大學(xué) 2016
[4]激光沉積制造應(yīng)力演化及其控制[D]. 周佳平.沈陽航空航天大學(xué) 2016
[5]激光熔覆熔池溫度場和流場的數(shù)值模擬[D]. 趙海玲.燕山大學(xué) 2013
[6]鈦合金激光沉積成形過程熱行為的研究[D]. 王興良.沈陽航空航天大學(xué) 2011



本文編號：3330741