同軸送粉式激光增材制造沉積形貌的模擬研究.pdf

1、激光增材制造技術(shù)是目前盛行的先進(jìn)制造技術(shù)之一，因具有材料利用率高、生產(chǎn)周期短、成形件組織性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。送粉式激光增材制造過(guò)程中熔池的動(dòng)態(tài)特征及凝固行為直接影響成形形貌、冶金缺陷、組織及性能。然而，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法難以精確描述熔池內(nèi)部動(dòng)態(tài)特征及演變規(guī)律。本文充分考慮了增材制造中所涉及的物理過(guò)程，建立數(shù)學(xué)模型對(duì)熔池變化及沉積形貌進(jìn)行了研究。
　　首先，本文通過(guò)高速相機(jī)拍攝粉末在空中的分布狀況，利用粉

2、末在不同濃度處具有不同灰度值的特性，分析了粉束流在空中的匯聚特征;并使用光束質(zhì)量分析儀測(cè)量激光光束功率密度分布，結(jié)合粉末的匯聚特征，建立了光-粉耦合的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光能量衰減和粉末溫升的計(jì)算。模擬結(jié)果表明:激光能量的衰減率與粉末直徑呈反比，與送粉量呈正比。
　　其次，本文對(duì)沉積層形貌及熔池瞬態(tài)演變展開(kāi)了研究，建立了激光-粉末-熔池耦合的三維瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型。該模型通過(guò)使用界面追蹤Level Set方法處理氣/液界面邊界條件，考慮

3、了熔池內(nèi)液體流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力:表面張力、熱毛細(xì)力、表面曲率、浮力等因素，同時(shí)采用固/液相統(tǒng)一的連續(xù)介質(zhì)模型來(lái)處理固/液界面處的熔化與凝固過(guò)程?；谟邢摅w積法，采用F ortran編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型求解程序。模擬結(jié)果表明:在熔池形成的初始階段，熔池的“生長(zhǎng)”是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，具有溫升速率高，形貌變化大等特點(diǎn);熔池大小穩(wěn)定后，熔池溫度與粉末利用率保持基本穩(wěn)定狀態(tài);激光作用過(guò)程中，熔池的溫度高于沉積層的溫度，且熔池前沿的溫度梯度大于熔