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《华南理工大学》 2017年
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金属粉末的组合雾化过程规律与3D打印成形性研究

耿江江  
【摘要】:3D打印技术被誉为“第三次工业革命”的核心技术,但3D打印用金属粉末的制备是制约其发展的瓶颈之一。传统的单一雾化制粉技术都存在不足之处。组合雾化法是将低压自由下落式气雾化和旋转盘离心雾化相结合的一种新型制粉方法,其制备的粉末球形度好、含氧量低、平均粒径小且粒度分布窄,符合3D打印对粉末特性的要求。本文对组合雾化过程规律进行了初步研究,旨在为3D打印用金属粉末提供一种新的制备方法。为了保证气雾化过程的顺利进行,组合雾化装置采用双层自由下落式雾化喷嘴。采用模拟实验的方法研究了气体流场特点。在导液管末端到旋转盘之间轴线上雾化气压有两个负压峰值和一个正压峰值。为了避免喷嘴堵塞现象,通过模拟实验的方法设置合适的主、辅雾化气压。通过理论和实验相结合的方式初步分析了组合雾化过程和分裂模式。在辅助雾化器和主雾化器之间,金属熔体基本上保持流柱状态。在主雾化器下端金属熔体流柱被破碎成熔滴,在旋转盘上重新聚合成一层流动的液膜。存在一个临界半径rc,当cr(27)r时,液膜呈紊流状态;当cr(29)r时,液膜呈层流状态。为了获得薄而稳定的流动液膜,可以根据临界半径设计旋转盘的大小。在本文实验条件下,液膜在旋转盘边缘并非呈现单一的分裂模式。采用数值模拟的方法研究了组合雾化过程中AlSi10Mg和Cu-6.5 wt%Sn合金熔滴的飞行动力学以及热历史随飞行距离的变化规律,同时模拟分析了过热度和旋转盘转速等主要工艺参数对熔滴飞行和冷却凝固的影响规律。结果表明:在组合雾化过程中,熔滴直径显著影响熔滴的速度和热历史,直径越小,速度变化越快,在较短的飞行距离内完成凝固。过热度对熔滴的冷却影响不显著,但太大的过热度会延缓熔滴的凝固进程,完全凝固时的飞行距离也更远。因此,太大的过热度不利于雾化室的设计。旋转盘速度对于熔滴热历史的影响稍大于过热度,高的旋转盘转速可以缩短熔滴冷却凝固期间的飞行距离。通过测量二次枝晶间距推算出实验制得粉末的冷却速率范围为103-106 K/s,与数值计算结果基本吻合。对组合雾化制备的Cu-6.5 wt%Sn合金粉末特性参数进行表征和评价:粉末平均粒度为21.89μm,标准几何偏差为1.42,绝大部分粉末粒径分布在14.4-35.2μm之间,球形度大于90%,氧含量小于0.04%,流动性为18.4 g/s,松装密度为4.80 g/cm3,基本符合3D打印对粉末性能的要求。正交试验SLM成形试样的主要物相为Cu-Sn固溶体和金属间化合物Cu13.7Sn。致密度受扫描速度的影响最大,其次为扫描间距和激光功率;主要缺陷为孔洞、裂纹和球状物;表面粗糙度可以通过设置合适的线能量输入来改善;断裂形式为脆—韧混合型。除了优化SLM成形工艺参数外,还可以通过降低粉末的杂质含量、提高粉末的松装密度和球形度改善组合雾化粉末的SLM成形性。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TF123.112

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