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激光快速成形过程温度测量及组织控制研究

谭华  
【摘要】:激光快速成形技术是在快速原型技术和激光熔覆技术的基础上发展起来的一项高新制造技术,能够实现高性能复杂结构金属零件的快速、无模具、近终形制造,在航空、航天领域具有广阔的应用前景。本文通过建立比色红外测温系统,对成形过程的温度进行测量,研究了各工艺条件对激光快速成形温度的影响规律,并结合理论分析对成形精度和凝固组织控制进行了探讨。取得的主要成果如下: 1.建立了激光快速成形温度测量系统 利用比色红外测温仪建立了激光快速成形的温度测量系统,能够实现熔化区域温度的实时跟踪测量和定点测量。 2.揭示了各工艺条件对激光快速成形热行为的影响 通过温度测量揭示了送粉率、扫描速度、激光功率、光斑直径、保护气体流量和送粉点位置对熔池温度的影响规律; 单道多层熔覆和多道搭接熔覆过程具有温度累积特性,这一特性将导致逐层逐道沉积时熔覆层尺寸的增加以及温度梯度的下降。而温度梯度的下降使枝晶一次间距逐渐增大。 3.提出熔覆层厚度反馈控制方案 改变质量输入的层厚控制:激光功率和扫描速度恒定时,熔池温度随熔覆层厚度的减小而增大,通过控制送粉率或送粉点位置可以实现熔覆层厚度的反馈控制; 改变能量输入的层厚控制:送粉条件不变时,熔覆层厚度随熔池温度的增加而增加,通过控制激光功率或扫描速度可以实现熔覆层厚度的反馈控制。 4.激光快速成形多层熔覆定向凝固研究 对基体晶体取向、熔池后沿固液界面形状以及重熔深度对凝固组织的影响进行分析,分析结果与实验结果一致; 通过对列状晶/等轴晶转变的理论计算以及熔池后沿固液界面凝固速度和温度梯度的分析发现,在界面z=0处最容易出现CET转变,并利用定点测温方法获得的温度信息优化工艺参数,获得了z=0处不出现CET转变的工艺参数,并且在采用此工艺参数的实验中获得了只在最外层有转向枝晶的定向凝固组织,且外延生长区和转向生长区均未出现新的晶粒,与预计的结果一致; 西北工业大学_I二学硕士学位论文 ..............,.甲....................... 基于基体晶体取向和熔池后沿固液界面形状对枝晶生长的影响研究,进一 步分析了基体表面与基体择优取向的相对位置对枝晶生长的影响,并在实验中 成功地实现了转向枝晶的消除,获得了最外层只有很薄的杂晶层而没有转向枝 晶的外延定向凝固组织。 5.激光快速成形过程温度场的有限元模拟 对激光快速成形过程温度场进行有限元模拟,分析了熔池后沿凝固界面温 度梯度,对凝固组织进行了预测。预测结果与实验结果基本一致,但与熔池内 部实际的情况仍有一定出入。 关键词:激光快速成形,温度测量,定向凝固,CET转变


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