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激光熔化沉积12CrNi2合金钢热力耦合数值模拟研究

2020-12-08阅读(224)

激光熔化沉积12CrNi2合金钢热力耦合数值模拟研究

论文摘要

激光熔化沉积(Laser Melting Deposition,LMD)技术是一种新型的激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)技术,具有十分广阔的应用前景。然而,LMD成形是一个局部快速加热并冷却的非稳态过程,其引起的温度场和应力场极其复杂,容易导致部件产生较大残余应力和裂纹等缺陷。基于此,本文以核电应急柴油机凸轮轴用12CrNi2合金钢材料为研究对象,采用数值模拟和实验相结合的方法,使用ANSYS的参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language,APDL)编写 了移动热源程序,并利用单元生死技术实现了金属粉末的同步添加过程,建立了LMD过程温度场、应力场有限元分析模型,重点研究了不同工艺参数(打印方式、激光功率、打印速度、预热温度)下LMD过程温度场及应力场分布规律,对解决高性能合金钢构件激光增材制造控形控性这一关键科学问题具有重要指导意义。本文主要研究内容和结论如下:(1)开展了 12CrNi2合金钢LMD实验研究,获得较优的工艺参数,并对沉积层的宏观和微观形貌进行了观察分析。研究发现,较优的工艺参数为激光功率2000W,打印速度5mm/s,送粉速率11g/min;不同工艺参数对激光熔化沉积层的形貌以及热影响区影响显著;沉积层的顶部为等轴晶,沉积层的中下部为具有外延生长特征的柱状晶;为了验证数值模拟的准确性,进行了单层单道的LMD数值模拟,结果表明,在误差允许范围内,模拟与实验的熔池宽度和深度基本一致。(2)研究了不同工艺参数下的温度场分布的分布规律。结果表明:单向打印方式比S形打印温度场分布均匀;成形过程中,节点的温度变化呈周期性波动,具有急热急冷的特征;节点的峰值温度随着激光功率的增加、打印速度的减小及预热温度的升高而增大;升温速率和降温速率随着激光功率、打印速度及预热温度的增加而增加。(3)研究了不同工艺参数下的应力场分布规律。结果表明:单向打印方式残余应力分布较好;随着激光功率增加,打印速度的减小,每层的最大Mises应力逐渐增大,冷却后的最大Mises应力增加;随着沉积高度的增加,Mises应力先增大后减少;随着基板预热温度的升高,LMD成形制造冷却后的最大Mises残余应力减小;基板预热改善了温度梯度分布,使得应力场分布更为均匀,能有效防止打印过程中出现开裂。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 激光熔化沉积技术国内外研究现状
  •   1.3 激光熔化沉积技术数值模拟技术简介
  •   1.4 激光熔化沉积技术数值模拟研究进展
  •     1.4.1 国外激光熔化沉积技术数值模拟研究进展
  •     1.4.2 国内激光熔化沉积技术数值模拟研究进展
  •   1.5 课题来源和主要研究内容
  •     1.5.1 课题来源
  •     1.5.2 主要研究内容
  • 第二章 激光熔化沉积有限元分析理论
  •   2.1 激光熔化沉积成形过程中激光、粉末、基板的相互作用
  •     2.1.1 激光与金属粉末的相互作用
  •     2.1.2 激光与基板的相互作用
  •     2.1.3 粉末与熔池的相互作用
  •   2.2 温度场有限元分析理论
  •     2.2.1 传热控制方程
  •     2.2.2 边界条件
  •   2.3 应力场有限元分析理论
  •     2.3.1 热弹塑性分析相关假设
  •     2.3.2 激光熔化沉积应力场有限元模型求解
  •   2.4 激光熔化沉积有限元计算模型
  •     2.4.1 热源模型
  •     2.4.2 相变潜热
  •     2.4.3 单元生死技术
  •     2.4.4 移动热源的施加
  •   2.5 材料属性
  •   2.6 本章小结
  • 第三章 激光熔化沉积实验研究
  •   3.1 实验设备
  •   3.2 实验材料
  •   3.3 试件显微组织制备方法
  •   3.4 激光熔化沉积单层单道实验
  •     3.4.1 激光功率
  •     3.4.2 打印速度
  •   3.5 不同工艺参数对沉积层几何尺寸的影响
  •   3.6 不同工艺参数下单层单道沉积层微观组织分析
  •   3.7 有限元模型验证
  •   3.8 本章小结
  • 第四章 激光熔化沉积制造过程温度场有限元模拟
  •   4.1 有限元模型
  •     4.1.1 模型假设
  •     4.1.2 网格模型
  •   4.2 打印方式
  •     4.2.1 温度变化规律
  •     4.2.2 温度变化率
  •   4.3 激光功率
  •     4.3.1 温度变化规律
  •     4.3.2 温度变化率
  •   4.4 打印速度
  •     4.4.1 温度变化规律
  •     4.4.2 温度变化率
  •   4.5 基板预热温度
  •     4.5.1 温度变化规律
  •     4.5.2 温度变化率
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 激光熔化沉积制造过程应力场有限元模拟
  •   5.1 有限元流程
  •   5.2 载荷及边界条件
  •   5.3 打印方式
  •   5.4 激光功率
  •   5.5 打印速度
  •   5.6 基板预热温度
  •   5.7 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  •   6.1 总结
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 研究成果及发表的学术论文
  • 作者和导师简介
  • 附件

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 周俊景

    导师: 段成红

    关键词: 激光熔化沉积,合金钢,温度场,应力场,数值模拟

    来源: 北京化工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

    专业: 物理学,金属学及金属工艺,无线电电子学

    单位: 北京化工大学

    基金: 国家重点研发计划“高性能合金钢构件激光增材制造控形控性研究”(项目编号:2016YFB1100200)的子课题部分研究内容

    分类号: TG665;TN249

    DOI: 10.26939/d.cnki.gbhgu.2019.000984

    总页数: 92

    文件大小: 8562K

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