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《北京科技大学》 2019年
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3D打印用球形钛粉气雾化制备技术及机理研究

陆亮亮  
【摘要】:3D打印技术具有制造流程短、个性化强、近终成形等特点,被广泛应用于制造钛合金零件,其中钛粉是3D打印技术的关键原材料。钛粉的质量直接影响最终产品的性能,3D打印用钛粉要求具有球形度高、含氧量低、粒径细小等特点。传统的钛粉制备方法存在着细粉收得率低、雾化效率差、设备能耗大等缺点,这些导致了制备高质量钛粉成本昂贵。因此,制备成本低廉的高质量钛粉对于3D打印技术的发展具有重要意义。本论文以制备低成本、高质量球形钛粉为研究目标,将无坩埚式熔化技术与气雾化技术相结合,提出了“高频感应熔化钛丝气雾化”制备技术,并研制高频感应钛丝气雾化制粉设备。采用数值模拟和实验相结合的方法系统研究了钛丝高频感应熔化过程和在非约束条件下的紧耦合雾化机理,在高频感应熔化钛丝气雾化制粉设备成功建立的基础上,开展了钛粉制备工艺规律研究,对粉末特性进行表征,最终制备出低成本、高质量球形钛粉。主要研究结果如下:基于高频感应加热原理以及钛的物理性能,采用高频感应无坩埚方式熔化钛丝。建立了包含电磁场、温度场、流场的多物理场耦合的高频感应熔化钛丝模型,利用COMSOL Multiphysics软件分析了高频感应熔化钛丝过程中多物理场的变化规律。在锥形线圈内部磁场强度自下而上逐渐减小,在加热过程中钛丝可实现自下而上逐级熔化,在此基础上优化选取30°锥形线圈作为感应加热器。随着电流频率的增大,钛丝加热速率提高,钛丝表面与芯部温度差也随之增大,当电流频率f=300 kHz时加热效率最佳。采用水平集法模拟了高频感应熔化钛丝的动态过程,揭示了钛丝熔化机理。发现送丝速度对熔化效果产生影响,提高送丝速度熔体形态由液滴变为液流。当送丝速度u=0.01 m/s时,直径为3 mm的钛丝在重力和表面张力共同作用下熔化形成液滴,形成时间为0.7s;当送丝速度u=0.03 m/s时,单位时间内钛丝熔化量增大,在0.7s时形成不间断的液流。液流形成时间随电流频率和电流加载值增大而减小。探明了紧耦合非约束式雾化喷嘴中气流场变化规律及雾化机理。利用计算流体力学软件Fluent分析了不同气流夹角下紧耦合喷嘴气流场变化规律,在工作条件下喷嘴中心孔出口处抽吸压力和滞点压强随雾化气流夹角增大而增大,雾化气流夹角为35°时,液流在抽吸力作用下流入雾化区,熔体可实现无导流系统条件下紧耦合高效雾化。随着雾化气体压力的增大,流场内气流最大速度逐渐增加,当雾化压力P≥16 atm时,流场结构由开涡向闭涡结构转变,抽吸压力随雾化压力增大而增大。阐明了熔体雾化破碎机理,喷嘴中心孔沿径向方向存在压力梯度,中心孔前端存在反向的动压力,熔体进入雾化区后,在这两个方向压力作用下形成液膜完成初级破碎。初次破碎后形成的液滴随高速气流从滞点前端穿过,液滴二次破碎以剥离破碎方式进行。研制了高频感应熔化钛丝气雾化制粉设备。该设备主要包括传送系统、熔化系统以及雾化系统。传送系统由矫直装置及送料装置组成,可实现钛丝连续矫直输送自动控制;熔化系统包括高频感应加热设备,通过传送系统传输可实现钛丝连续熔化;雾化系统采用Laval喷管,可获得超音速气流,设计了紧耦合非约束式雾化喷嘴结构,可实现熔体在无导流系统条件下高效雾化。采用自主研制的高频感应钛丝气雾化制粉设备制备钛粉,开展了工艺参数对钛粉性能的影响研究。经优化后制定了合理、经济的雾化工艺:钛丝直径为3 mm,雾化压力为40 atm,电流值为40 A,电流频率为300 kHz,送丝速度0.03 m/s,在此条件下制备的钛粉平均粒径为41.8μm,细粉(≤45μm)收得率为57.7%,粉末形貌为球形,球形度接近100%,粉末表面基本不存在“卫星球”。相比于电极感应气雾化技术,细粉收得率提高了24.7%。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TF123.23

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