GH4169合金粉末选区激光熔化成形数值模拟及试验研究

发布时间：2017-05-22 10:24

  本文关键词：GH4169合金粉末选区激光熔化成形数值模拟及试验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高温合金粉末的选区激光熔化成形是当今快速成型制造领域的重点研究对象,目前该领域已经在国家航空航天和生物医疗等领域重点应用,但是成形过程激光与粉末反应剧烈,容易形成较大的温度梯度,引起热应力,从而形成缺陷影响成形件质量。因此,探究高温合金粉末成形机理,分析温度场与应力场分布规律,对高温合金粉末成形工艺有重要指导意义。本文利用有限元模拟软件,建立三维瞬态有限元模型,将激光热源近似为高斯分布,考虑相变潜热与材料非线性问题,设计生死单元和参数化语言命令流,实现镍基高温合金成形过程的温度场模拟与应力场模拟。主要对单道扫描、单层扫描、块体成形的温度场进行了分析,着重研究了扫描过程中的温度分布、扫描线变向转接处的温度分布和整个时间历程上的温度分布情况。讨论了扫描速度和激光功率对温度场影响,熔池尺寸随着激光功率的增加而增大,瞬时最高温度随着扫描速度的减小而增大,熔池前端的温度梯度较大。选出了合适的工艺参数,并探讨了导致温度变化和温度梯度的原因。在温度场模拟的基础上,分析了应力场分布的变化规律,主要针对过程中的应力分布、扫描线变向转接处的应力分布和冷却到室温的应力分布进行了分析。在成形件表面主要以拉应力为主,基板上主要以压应力为主。扫描过程中应力集中主要发生在扫描线之间与扫描线变向转接处,冷却到室温时残余应力以拉应力为主,集中在成形件边界和四角上,在扫描线变向转接处出现较大的拉应力,等效应力主要集中在成形件四角和边界上,这些应力是造成翘曲与裂纹的主要原因。利用模拟结果进行合金粉末的成形试验,成功验证了模拟的可靠性,并制造出致密度良好的块体成形件。最后对成形过程的影响因素和成形过程容易产生的缺陷进行了分析,有限元模拟在缺陷形成上的预测较为成功。
【关键词】：GH4169合金 选区激光熔化 数值模拟 缺陷预测 试验研究
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF124.3;TG132.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 引言11-23
• 1.1 快速成型技术简介11-12
• 1.2 选区激光熔化技术12-16
• 1.2.1 SLM技术成形特点13-15
• 1.2.2 SLM技术的研究进展15-16
• 1.3 GH4169镍基高温合金16-20
• 1.3.1 GH4169合金的优缺点17-18
• 1.3.2 GH4169合金组织、相与温度之间的关系18
• 1.3.3 GH4169合金的性能18-19
• 1.3.4 GH4169合金的发展与应用19-20
• 1.4 GH4169合金SLM成形的有限元模拟20-21
• 1.5 课题背景、意义及主要研究内容21-23
• 1.5.1 课题背景及意义21
• 1.5.2 课题研究内容及技术路线21-23
• 第二章 选区激光熔化成形过程有限元分析过程及模型建立23-36
• 2.1 温度有限元模拟分析理论23-25
• 2.1.1 三维瞬态温度场的基本方程23-24
• 2.1.2 瞬态热传导的有限单元法24-25
• 2.2 有限元模拟的关键技术25-32
• 2.2.1 有限元热分析模拟流程25-26
• 2.2.2 选区激光熔化的传热方式26-28
• 2.2.3 材料属性28-29
• 2.2.4 材料的非线性处理29-30
• 2.2.5 相变潜热处理30-31
• 2.2.6 移动热源模型与加载31-32
• 2.2.7 生死单元技术与APDL参数化语言算法的实现32
• 2.3 应力场模拟的基本理论32-34
• 2.4 SLM成形有限元模型的建立34-35
• 2.4.1 选择单元类型34
• 2.4.2 有限元模型简化原则34-35
• 2.4.3 三维几何模型的建立35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 GH4169粉末SLM成形温度场模拟结果分析36-56
• 3.1 引言36
• 3.2 单道扫描温度场模拟及结果分析36-44
• 3.2.1 工艺参数对熔池尺寸与最高温度的影响37-40
• 3.2.2 工艺参数对温度场的影响40-42
• 3.2.3 单道扫描过程温度场分析42-44
• 3.3 单层扫描温度场模拟及结果分析44-52
• 3.3.1 单层扫描温度场模拟参数选择44-46
• 3.3.2 各道扫描结束时刻温度分布46-47
• 3.3.3 扫描线变向转接处温度分布47-48
• 3.3.4 同一扫描线上等距点的温度分布48-49
• 3.3.5 光斑中心温度的变化情况49-50
• 3.3.6 节点温度分布与温度变化率50-52
• 3.4 块体成形温度场模拟及结果分析52-55
• 3.4.1 每层扫描结束时刻温度场分布53-54
• 3.4.2 整个时间历程上的温度变化54-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第四章 GH4169粉末SLM成形应力场模拟结果分析56-62
• 4.1 引言56
• 4.2 应力场分析中的主要应力56-57
• 4.3 应力、应变过程分析57-61
• 4.3.1 扫描过程中某一时刻的应力场分布57-58
• 4.3.2 扫描线变向转接处的应力场分布58-59
• 4.3.3 冷却到室温时的残余应力分布59-60
• 4.3.4 应力 σx在整个时间历程上的变化60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 GH4169粉末SLM成形的试验研究62-73
• 5.1 引言62
• 5.2 试验设备及方法62-63
• 5.2.1 试验设备与试验材料62-63
• 5.2.2 试验目的和方法63
• 5.3 试验过程与结果分析63-70
• 5.3.1 单道扫描试验63-65
• 5.3.2 单层扫描试验65-66
• 5.3.3 块体成形试验结果66-67
• 5.3.4 GH4169合金粉末SLM成形的缺陷分析67-70
• 5.4 GH4169合金粉末SLM成形的影响因素70-72
• 5.4.1 激光器70-71
• 5.4.2 熔化材料和基板71
• 5.4.3 保护气体71-72
• 5.5 本章小结72-73
• 第六章 结论与展望73-75
• 6.1 结论73-74
• 6.2 研究展望74-75
• 参考文献75-80
• 攻读硕士期间发表的论文80-81
• 致谢81-82

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