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《华中科技大学》 2011年
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粉末激光快速成形与等静压复合过程工艺与数值模拟研究

杜艳迎  
【摘要】:粉末激光快速成形技术主要包括选择性激光烧结与选择性激光熔化,它们都具有成形周期短、不需要使用模具,能成形高复杂形状制件等优点,但同时也具有内部存在孔隙、强度差、成形大尺寸的完全致密金属制件比较困难等缺点。等静压技术能够提高制件的致密度、具有均匀的微观结构以及没有成分偏析,但对复杂形状的制件,金属包套的制作比较困难。将快速成形与等静压技术结合,可以取长补短,是快速制造复杂金属制件的新方法。近年来,国际上已经出现了粉末激光快速成形与等静压复合过程的相关报道。选择性激光烧结制件密度比较低(38%左右),需要经过脱脂、冷等静压、烧结、热等静压等后处理步骤,过程比较繁琐。而选择性激光烧结制件直接热等静压结果不理想。虽然选择性激光熔化制件密度比较高(90%左右),但对它直接进行热等静压时,要求表面没有连通的孔隙。因此粉末激光快速成形与等静压复合过程研究还处于起步阶段。由于等静压成形过程中制件的尺寸变化比较大,为了能达到近净成形(即不需要机加工或极少机加工的工艺)的目的、减小实验次数、降低成本,有必要对等静压过程进行数值模拟。关于这方面的报道也很少,而且数值模拟结果不理想。 针对以上研究现状,本文以快速成形方法制造复杂形状的致密金属为目的,对快速成形制件的不同后处理方法和致密化机理进行进一步研究,包括选择性激光烧结\冷等静压\热等静压,选择性激光烧结制件的直接热等静压以及选择性激光熔化制件的热等静压过程。并对这些过程进行了数值模拟。从而进一步发展粉末激光快速成形技术,拓宽其应用领域。因此,本研究具有比较大的理论和现实意义。 首先对选择性激光烧结\冷等静压\热等静压过程进行研究。由于选择性激光烧结制件相对密度比较低,在冷等静压中以粉末的重排靠近以及塑性变形机制为主,冷等静压后内部的大孔隙明显减少,粒子边界仍然可区分。在热等静压前制件的致密度已经比较高(90%以上),所以致密化过程是以塑性变形和扩散蠕变机制为主,热等静压后内部孔隙已经球化成圆形。通过冷等静压实验获得了摇实密度下不锈钢粉末的压力~密度曲线p=0.398exp(ρ/0.105),以及压力~体积塑性应变曲线p=18.86exp (6.41εvp),为不锈钢粉末冷等静压数值模拟提供了重要的材料参数。提出了初始密度不同,对压力~密度曲线影响不大的结论。使用ABAQUS软件中的Cam-Clay模型以及Drucker-Prager-Cap模型对冷等静压过程进行数值模拟。两种模型的计算结果与实验结果都比较符合,Cam-Clay模型的误差在4.0%以内,Drucker-Prager-Cap模型的误差在3.5%以内,数值模拟结果误差与以前的研究相比有明显减小。这是因为选择性激光烧结制件收缩比较均匀,并且使用了实验获得的材料参数。粉末的微观形态对材料的性质有重要的影响。不规则粉末由于存在粒子取向,与粉床垂直方向的收缩与其它两个方向不同。而球形粉末的制件各个方向收缩比较均匀。由于橡胶包套刚度小、弹性好,选择性激光烧结制件比橡胶包套坚硬,所以包套的形状随着制件而变化,对制件的形状和尺寸的影响都比较小,正是制件和包套刚度的比率控制着压缩过程中的变形。虽然制件和包套之间的摩擦系数的增加会导致直径变大和高度减小,但是对变形量的影响非常小,当摩擦系数不为零时,它对结果的影响除了波动并没有明显的趋势。通过正交实验可以看出,在冷等静压过程中硬化参数是影响数值模拟结果最重要的因素。 对复杂形状制件的冷等静压过程进行数值模拟,与简单形状类似,制件的收缩比较均匀,没有明显的形状扭曲。齿轮数值模拟的误差比文献结果有明显减小,是因为通过实验获得的材料硬化参数比较准确。对涡轮制件的初始尺寸进行了设计,首先通过硬化曲线得到最初的初始尺寸,然后通过数值模拟对初始尺寸进行不断修正,从而得到与最终形状比较接近的初始尺寸。 由于选择性激光烧结\冷等静压\热等静压过程比较繁琐,本研究改进了选择性激光烧结制件直接热等静压方法,将玻璃作为充填介质,制造出相对密度达90%左右的齿轮制件。制件体积明显收缩,内部的孔隙呈相互不连通的球形,不存在明显的颗粒边界。使用ABAQUS顺序耦合的热-应力分析方法首次对选择性激光烧结制件的热等静压过程进行数值模拟。通过ABAQUS的CREEP子程序,编写双曲正弦蠕变方程,用于热等静压过程的数值模拟。由于制件体积比较小,热等静压过程升温、降温速度比较缓慢,整个制件的温度梯度比较小,收缩比较均匀。根据密度~时间变化曲线可以看出,由于制件初始密度比较低,致密化初期以粒子重排靠近机理为主,密度迅速增加,产生一个突变,当相对密度达到0.7左右,致密化速率变得缓慢,这时致密化过程以塑性变形机制为主,当相对密度达到0.9左右时,山于相对密度比较高,致密化过程以扩散蠕变机制为主,致密化速率变得更加缓慢。 由于选择性激光熔化制件不需要脱去高分子材料粘接剂,因此它的后处理步骤是最少的。在直接进行热等静压时,即使制件的初始相对密度比较高(95%左右),也不能保证热等静压后能达到接近完全致密。制件是否能够完全致密化与选择性激光熔化制件内部孔隙的大小、分布、是否相互连通以及杂质的存在等因素有关。由于升温速度缓慢,热等静压过程中的温度场在各个时刻都非常均匀,可以近似为一个准热平衡状态(或准稳态),因此热应力很小,只有体积收缩而没有形状的改变。传统的粉末加包套的热等静压方法由于制件形状复杂,再加上包套的影响,制件不仅有体积的收缩,而且还存在形状的改变。这主要是因为在传统的粉末加包套的方法中存在包套和型芯,它们是由致密材料组成的,在压力的作用下,通过包套形状的变化来使内部的粉末材料致密化,由于内部粉末材料的流动性好,它的形状会随着金属包套的形状而改变,因此与传统热等静压方法相比,没有使用包套是选择性激光熔化制件均匀收缩的主要原因。 通过数值模拟可以预测制件最终的尺寸和密度,为快速成形和等静压复合成形过程以及初始尺寸和形状的设计提供有益的指导。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TF124.5

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 贺峻,康永林,任学平;数值模拟在陶瓷粉末材料冷等静压过程中的应用[J];材料科学与工艺;2002年01期
2 孙雪坤,杨红,苗雨阳,汤河源;Cam-Clay 模型在 Si_3N_4 陶瓷粉末冷压分析中的应用[J];东北大学学报;1998年04期
3 韩凤麟;热等静压(HIP)工艺模型化进展[J];粉末冶金工业;2005年01期
4 任学平,王尔德,霍文灿;粉末体的屈服准则[J];粉末冶金技术;1992年01期
5 史玉升;任丽花;魏青松;刘锦辉;;选择性激光烧结制件冷等静压形变模拟与试验[J];华中科技大学学报(自然科学版);2007年12期
6 焦明华;宋平;解挺;俞建卫;王德广;王永国;尹延国;;粉末冶金压制成形数值模拟研究进展[J];金属功能材料;2007年05期
7 汪俊,李从心,阮雪榆;粉末金属压制过程数值模拟建模方法[J];机械科学与技术;2000年03期
8 李少波,李国安,娄彦良,罗慧倩;热等静区致密化的计算机模拟及在TZP陶瓷中的应用[J];无机材料学报;2000年02期
9 孙雪坤,苗雨阳,王国栋;金属粉末的模压致密化特性[J];中国有色金属学报;1999年S1期
10 孙雪坤,沈以赴,金琪泰;金属粉末冷等静压下致密化过程的分析[J];中国有色金属学报;1998年S1期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 刘锦辉;选择性激光烧结间接制造金属零件研究[D];华中科技大学;2006年
2 章文献;选择性激光熔化快速成形关键技术研究[D];华中科技大学;2008年
3 鲁中良;不锈钢粉末选择性激光烧结/等静压复合成形技术研究[D];华中科技大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 陈英;铁基金属粉末激光烧结与等静压复合成形技术研究[D];华中科技大学;2008年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 骆华勋;刘西拉;;钢筋混凝土箱型构件的统一破坏模型[J];四川建筑科学研究;2011年01期
2 刘西拉;陈溪;;关于建立拉/压弯剪扭统一计算公式的讨论[J];四川建筑科学研究;2012年01期
3 孙毅;王铎;;ON THE DEFORMATION AND FRACTURE OF POROUS MATERIALS[J];Acta Mechanica Sinica;1994年02期
4 李洁;赵明阶;王金海;;金家坝水电枢纽导流洞开挖非线性数值模拟[J];地下空间与工程学报;2006年02期
5 彭茂公,亢若谷,王云坤,张家敏,刘珂呈;高强高导弥散强化铜材料可锻性研究[J];兵器材料科学与工程;2003年01期
6 谭武军;李明;黄辉;;RDX和HMX晶体压制方程的对比研究[J];火炸药学报;2007年05期
7 谭武军;李明;唐兴;黄辉;;RDX晶体颗粒压制中的声发射现象[J];火炸药学报;2009年01期
8 朱明,金泉林;材料内部孔洞压实机理的研究[J];兵工学报;1992年01期
9 赵东,黄文彬,鹿振友;密闭容器中玉米秆粉粒体的本构方程[J];北京林业大学学报;2000年05期
10 周海涛;靳向红;吴金志;孟祥瑞;;大跨体育场罩棚结构抗震设计[J];河南城建学院学报;2010年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李铁英;石治峰;雷宏刚;张善元;;金属材料损伤描述及损伤演化[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2001年
2 崔振山;刘国庆;许莹;解国宏;;数值仿真技术在汽车安全部件设计中的应用[A];第二届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2006年
3 C.J.Butcher;;A continuum void nucleation model for an Al-Mg alloy sheet based on measured particle distribution[A];损伤、断裂与微纳米力学进展:损伤、断裂与微纳米力学研讨会论文集[C];2009年
4 李祚华;滕军;和雪峰;;基于材料层次的RC梁柱构件地震损伤模型[A];第八届全国地震工程学术会议论文集(Ⅱ)[C];2010年
5 曹先康;谷明成;;某砂岩区大型危岩稳定性有限元分析[A];2011年全国工程地质学术年会论文集[C];2011年
6 张永胜;李雁英;;超长混凝土框架结构非线性有限元研究[A];第19届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ册)[C];2010年
7 孔宪超;齐朝晖;宋慧涛;;有限元分析中约束处理的增广法[A];第20届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ册)[C];2011年
8 李茂生;;有限元软件与力学发展[A];第二届全国力学史与方法论学术研讨会论文集[C];2005年
9 彭茂公;亢若谷;王云坤;张家敏;刘珂呈;;弥散强化铜材料锻造性实验研究[A];2002年十一省、区、市机械工程学术年会暨云南省机械工程学会第六届学术年会论文集[C];2002年
10 赵伟斌;李元元;周照耀;胡俊文;邵明;;金属粉末体压制成形过程模型的研究[A];2002年材料科学与工程新进展(下)——2002年中国材料研讨会论文集[C];2002年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄西成;内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析[D];中国工程物理研究院;2010年
2 张忠;固体炸药冲击起爆的物质点法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 王德广;金属粉末高致密化成形及其数值模拟研究[D];合肥工业大学;2010年
4 李瑞迪;金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D];华中科技大学;2010年
5 徐玉胜;大能量强夯置换法处理深圳地区软土地基的应用研究[D];中国铁道科学研究院;2009年
6 宋兵;桩侧摩阻力特性的研究[D];华南理工大学;2010年
7 邱保文;X80管线钢韧性断裂研究与有限元模拟[D];武汉科技大学;2010年
8 王胜民;机械镀锌无结晶形层的研究[D];昆明理工大学;2010年
9 施烨辉;列车荷载和冻融循环作用下冻土路基稳定性研究[D];北京交通大学;2011年
10 郭猛;框架—密肋复合墙结构抗震性能与设计计算方法研究[D];北京交通大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陶磊;尼龙6/铜复合粉末选区激光烧结制造塑料模具的研究[D];南昌航空大学;2010年
2 杨柯;船桥碰撞理论及桥墩防护装置的研究[D];长沙理工大学;2010年
3 朱巍;冷轧硅钢边裂产生机理的研究[D];华东理工大学;2010年
4 孙素敏;拓扑优化方法在重力坝设计中的应用研究[D];昆明理工大学;2010年
5 邓丽芳;金刚石/铜复合材料制备的研究[D];昆明理工大学;2009年
6 王飞;渐开线齿廓滚压成型半蜂窝波形条的理论研究[D];昆明理工大学;2009年
7 靳娟娟;某水库堆石坝原型观测资料分析与安全评价[D];昆明理工大学;2009年
8 王凯;体外预应力压型钢板与混凝土组合楼板受力性能研究[D];沈阳建筑大学;2011年
9 王瑞锋;蜂窝式钢框架梁柱节点静力性能研究[D];沈阳建筑大学;2011年
10 柴顺;钢筋混凝土结构梁柱节点强度研究[D];湖北工业大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李宁,王高潮,刘锦辉,王成;环氧树脂粉末材料在选择性激光烧结中的应用[J];工程塑料应用;2005年04期
2 程远方,果世驹,赖和怡;球形颗粒随机排列过程的计算机模拟[J];北京科技大学学报;1999年04期
3 史玉升;鲁中良;章文献;黄树槐;陈国清;;选择性激光熔化快速成形技术与装备[J];中国表面工程;2006年S1期
4 白培康,李明照,方明伦,程军;覆膜不锈钢粉末选择性激光烧结成型机理研究[J];材料工程;2005年08期
5 贺峻,康永林,任学平;粉末构件CIP成形过程有限元数值模拟[J];材料科学与工艺;1999年S1期
6 白培康,赵山林,程军;覆膜金属粉末激光烧结过程温度场的数值模拟[J];测试技术学报;2000年04期
7 江崇经;冷等静压技术的应用[J];电瓷避雷器;1994年04期
8 江崇经;冷等静压成型包套和模具的设计[J];电瓷避雷器;1994年06期
9 赵剑峰,余承业;影响SLS零件精度的几个因素[J];电加工;1998年06期
10 黄伯云,刘咏,贺跃辉;基于连续体介质力学的粉末烧结理论[J];粉末冶金材料科学与工程;1998年04期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 刘锦辉;选择性激光烧结间接制造金属零件研究[D];华中科技大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 刘锦辉;添加聚合物粉末的316粉末SLS成型与后处理的研究[D];辽宁工程技术大学;2002年
2 何世文;钛基合金温压成形技术研究[D];中南大学;2004年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张永忠,席明哲,石力开,程晶;激光快速成形316L不锈钢的组织及性能[J];稀有金属材料与工程;2002年02期
2 张永忠,席明哲,石力开,程晶,徐骏;激光快速成形316L不锈钢研究[J];材料工程;2002年05期
3 陈静,杨海欧,杨健,黄卫东;TC4钛合金的激光快速成形特性及熔凝组织[J];稀有金属快报;2004年04期
4 李洪峰,俞泽民,金立国,郭英奎,郭海峰;成型压力对ZrO_2陶瓷力学性能的影响[J];哈尔滨理工大学学报;2004年06期
5 王华明;;激光快速成形TA15钛合金切削加工性能研究[J];航空制造技术;2010年15期
6 贺峻,王艳丽,康永林;粉末冶金零件等静压成形过程数值模拟[J];钢铁研究;2001年01期
7 杨海欧,陈静,李延民,冯莉萍,林鑫,黄卫东;Rene95高温合金激光快速成形试样的力学性能[J];稀有金属材料与工程;2003年04期
8 杜艳迎;史玉升;魏青松;;选择性激光烧结不锈钢零件冷等静压宏观变形与微观特征[J];稀有金属材料与工程;2010年S1期
9 鲁中良;刘锦辉;史玉升;;选择性激光烧结AISI316L不锈钢制品的致密度[J];粉末冶金材料科学与工程;2011年04期
10 程晶,张永忠,高士友,石力开,席明哲;Al/SiC复合材料激光快速成形的研究[J];稀有金属;2002年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 孟牧;王华明;;激光快速成形钛合金零件的温度场数值模拟[A];2009年先进光学技术及其应用研讨会论文集(上册)[C];2009年
2 赵合彬;王利华;刁鹏;张琦;王华明;;激光快速成形工艺制备的BT20钛合金在NaCl溶液中的耐蚀性研究[A];2008年全国腐蚀电化学及测试方法学术交流会论文摘要集[C];2008年
3 张长利;张凌云;席文军;王华明;;快速凝固激光快速成形镍基高温合金零件组织研究[A];2002年材料科学与工程新进展(下)——2002年中国材料研讨会论文集[C];2002年
4 高勃;王晓波;姚月玲;杨海鸥;黄卫东;;激光立体成形制备全口义齿钛基托的初步研究[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年
5 杨国成;;激光快速成形中材料叠层高度的光电自动测控[A];'99十一省(市)光学学术会议论文集[C];1999年
6 赵合彬;王利华;刁鹏;张琦;王华明;;激光快速成形工艺制备的BT20钛合金的耐蚀性研究[A];中国化学会第26届学术年会应用化学分会场论文集[C];2008年
7 刘润;赵剑峰;黄因慧;花国然;;激光快速成形与等离子喷涂相结合制备纳米复合涂层的研究[A];第十届全国特种加工学术会议论文集[C];2003年
8 钱波;;激光快速成形中基于切弧过渡的扫描轨迹优化[A];第九届全国光电技术学术交流会论文集(下册)[C];2010年
9 叶呈武;张绪虎;郎泽保;;钛合金激光沉积快速成形技术发展现状[A];中国有色金属学会第十二届材料科学与合金加工学术年会论文集[C];2007年
10 陈静;杨海欧;黄卫东;;先进飞机结构用钛合金零件的激光快速成形[A];探索创新交流--中国航空学会青年科技论坛文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 叶勇;引专家入股 中航重机落实激光快速成形项目[N];上海证券报;2011年
2 白水;科技创新创造卓越[N];雅安日报;2005年
3 本报记者 宋亚林;抓住机遇 迎接挑战[N];中国航空报;2007年
4 张微;北京利尔调整产品结构闯市场[N];中国冶金报;2007年
5 本报首席记者 包斯文;粉末冶金产业方兴未艾[N];中国冶金报;2006年
6 特约记者 张树云;新型氧化铝陶瓷制作工艺简介[N];广东建设报;2004年
7 本报记者 刘泽民 周国平;动力之源[N];中国有色金属报;2001年
8 记者 赵晓琳;金利华电5000万元揽入强联电瓷[N];上海证券报;2011年
9 记者 彭华;我市6个创新项目获140万元[N];雅安日报;2009年
10 周奇;高度重视科研成果产业化[N];中国有色金属报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 杜艳迎;粉末激光快速成形与等静压复合过程工艺与数值模拟研究[D];华中科技大学;2011年
2 吴江;应用激光快速成形技术制作全口义齿钛基托的实验研究[D];第四军医大学;2007年
3 张丽君;激光快速成形纯钛的烤瓷性能研究[D];第四军医大学;2009年
4 朱娟芳;激光快速成形技术制作纯钛植入材料的实验研究[D];第四军医大学;2007年
5 刘一涵;激光快速成形镍铬合金的烤瓷性能研究[D];第四军医大学;2010年
6 高阳;激光快速成形技术制备磷酸钙陶瓷涂层及其生物学性能研究[D];第四军医大学;2010年
7 曲士昱;Nb/Nb_5Si_3复合材料基础研究[D];北京航空材料研究院;2002年
8 王志坚;装备零件激光再制造成形零件几何特征及成形精度控制研究[D];华南理工大学;2011年
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1 余金水;高频微锻造对激光成形成形304不锈钢试件力学性能的影响[D];南华大学;2012年
2 梁晓康;激光快速成形316L/Inconel718功能梯度材料的研究[D];大连理工大学;2010年
3 张凤英;低成本氢化脱氢钛合金粉末的激光快速成形[D];西北工业大学;2006年
4 付春霞;激光熔覆及快速成形专用铁基粉末的研制[D];山东大学;2008年
5 张霜银;激光快速成形TC4钛合金的组织和力学性能研究[D];西北工业大学;2006年
6 于君;激光快速成形沉积层几何参数监测与控制研究[D];西北工业大学;2007年
7 韩彦峰;激光快速成形技术制作纯钛基底冠的可行性实验研究[D];第四军医大学;2007年
8 黄嵘波;基于极坐标的激光选择性烧结(SLS)快速成型系统的研究[D];武汉大学;2005年
9 昝林;激光快速成形TC21钛合金的组织和力学性能研究[D];西北工业大学;2007年
10 关泰红;梯度生物活性涂层材料激光快速成形制备技术及其理化性能初步研究[D];第四军医大学;2009年
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