激光增材制造金属零件过程中的热力学分析及热变形研究

激光增材制造金属零件过程中的热力学分析及热变形研究

激光增材制造技术是一种先进的制造技术,该技术整合了激光熔覆与快速原型的优点,不需要任何毛坯件预加工的前提下,能够实现复杂零件直接近净成形制造,并提供良好的加工质量,在高端装备研制与生产中具有广阔的应用前景。因此,本研究以激光增材制造及修复金属零件为背景,通过大量的成形实验及相应的数值模拟,仔细观察激光增材制造过程中产生的现象,深入研究其中的成形机理与影响规律,系统分析激光增材制造过程中温度场与应力场对成形件质量与微观组织的影响,主要研究内容如下:(1)对激光熔覆成形过程中热传导、激光能量传导和金属热变形等理论进行论述,分析激光熔覆成形原理。基于有限元理论与单元生死技术,通过选择合理的热源模型、粉末对激光吸收率与金属材料物理性能,设定热交换边界条件,建立同轴送粉激光熔覆过程有限元模型。(2)针对激光熔覆成形特定金属零件时需要采用不同金属粉末进行熔覆,分析不同材料进行激光熔覆时温度场与应力场的影响。通过ANSYS生死单元技术模拟不同材料激光熔覆过程温度场与应力场的分布与演化规律,分析不同材料对激光熔覆过程温度场与应力场的影响规律,规划合理的加工方案。(3)针对激光熔覆过程中出现的裂纹、重熔、毛边、塌陷等缺陷,提出通过改变加工方式的方法,减小熔覆过程中热应力对成形试样的影响。通过使用变功率加工与改变扫描路径的办法,减少激光熔覆过程热累积效应,降低成形试样温度梯度,进而减少加工过程中弹性热压缩变形与热收缩应力,提高成形试样质量。(4)针对激光熔覆模拟结果,进行实

体成形实验验证模拟结果的准确性。通过使用非接触式红外热像仪与X-射线衍射应力测试仪测量激光熔覆过程中熔池温度与成形后试样表面残余应力,验证模拟结果的准确性,并对成形件进行尺寸精度、表面平整度和基板翘曲度的测量,得出最优加工参数。通过腐蚀成形件观察试样内部组织与晶体结构,总结不同加工方式对成形试样微观结构的影响。