【摘要】：本文建立了三維介觀尺度的激光吸收行為模型,以鋁合金及其復合材料粉末為材料對象展開研究,采用線跡追蹤法模擬選區(qū)激光熔化過程的激光吸收行為。該模型充分考慮了激光光線S極、P極偏振的菲涅爾吸收機制,粉末顆粒之間的相互作用以及粉末顆粒位置的隨機分布等因素,模擬接近實際加工過程的松散粉床模型在三維高斯光源作用下的激光吸收機制。在理想密排堆垛的模型中,討論了不同粒徑鋁合金粉末(10μm,20μm,30μm,40μm,50μm,60μm)粉床對激光的吸收率行為以及粉末顆粒表面的輻照度分布。研究發(fā)現(xiàn):粒徑較小的粉末顆粒會增強粉床對激光的多重反射作用,與激光產(chǎn)生交互作用的粉末顆粒較多,激光吸收率較高,粉末顆粒表面的輻照度較大,使粉床有足夠的激光能量輸入,提高熔池內(nèi)的溫度與累計的能量,進而使粉末顆粒充分熔化,提高成形件的質(zhì)量。為了驗證模擬結(jié)果的可靠性,本研究利用側(cè)面實驗的方法,在相同的工藝參數(shù)下用不同粒徑的鋁合金粉末做單道實驗,對實驗樣品進行熔池成形質(zhì)量分析,得到粉末顆粒粒徑的影響規(guī)律與模擬結(jié)果一致。為了進一步優(yōu)化粉床堆垛模型,本研究采用序列添加方法,得到了三維隨機分布堆垛粉床模型,并在此基礎(chǔ)上探究了增強相顆粒對基體粉床對激光吸收行為的影響。通過在鋁合金粉末隨機分布的基體粉床中添加小粒徑的SiC和TiB_2增強相顆粒,建立了鋁基復合材料的隨機分布粉床模型,然后采用線跡追蹤法模擬計算。研究得到:增強相粉末顆粒增加了粉床的受光面積,明顯提升了激光吸收率和顆粒輻照度分布,追跡光斑數(shù)量的明顯增多表明激光與粉末顆粒的交互作用明顯加強,此外,由于SiC較優(yōu)的光學參數(shù),添加SiC顆粒的粉床比添加TiB_2顆粒的粉床對激光的吸收增強作用稍大。最后設(shè)計實驗驗證,通過SLM成形SiC增強鋁基復合材料和TiB_2增強鋁基復合材料塊體并進行顯微組織分析。可以得到,增強相顆粒的添加使激光輻射吸收更充分,熔池液相的溫度提升,有利于改善熔池中液固界面的潤濕行為,熔化過程中的液相能夠順利鋪展,相鄰激光掃描軌跡之間的冶金結(jié)合加強。對樣品進行的SEM分析結(jié)果顯示,顆粒增強鋁基復合材料形成的熔池體積更大,表面質(zhì)量更穩(wěn)定,致密化程度更高,反映到塊體的顯微硬度也更高,實驗結(jié)果間接驗證了模擬研究的影響規(guī)律的可靠性。
【圖文】：

鋁合金選區(qū)激光熔化的吸收行為模擬與實驗研究Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)[19 21]，接下來我們詳細沉積技術(shù)（LMD）技術(shù)結(jié)合了快速制造（增材制造）的逐層疊加的，，原材料實時同步送粉，具有噴粉成形的特點，在惰性氣體的末然后快速凝固，用特制的同軸噴嘴在工作臺基板上一層一。LMD 技術(shù)主要的應用領(lǐng)域有功能梯度材料成形、高附加涂層的制備等，并且由于其能夠廣泛靈活地實現(xiàn)材料選擇和領(lǐng)域取得一定的優(yōu)勢[22 24]。LMD 技術(shù)的成形裝置示意圖送粉系統(tǒng)、保護氣系統(tǒng)、帶有同軸噴嘴的光學系統(tǒng)以及其他

激光熔化（Selective Laser melting，SLM）是由德國的 Fraunhofer 激光技提出的，起初是為了解決選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering, SLS度，進而提高組織的致密度的問題進行的升級與優(yōu)化工作，之后在 和 Fockle 共同研發(fā)了第一臺 SLM 設(shè)備。SLM 技術(shù)與 LMD 技術(shù)的最大采用的激光功率大小以及粉末的供給方式不同。SLM 與 SLS 技術(shù)的成形本相同，基本的工藝流程如圖 1.2 所示，分為以下幾步：（1）首先，在計三維建模模型并用專業(yè)切片軟件進行切片處理，從而將想要成形的三維零截面切片數(shù)據(jù)；（2）其次，自動鋪粉系統(tǒng)會從供粉缸向著成形臺均勻得鋪據(jù)切片數(shù)據(jù)信息，用高能激光束有選擇性地熔化粉層特定區(qū)域，在快速的截面；（3）接下來，成形缸活塞將會下降一層粉末厚的距離，物料缸活距離，重復第二步直至逐層累計形成原設(shè)計三維實體零件[38-39]。SLM 技在于將冶金機制演變?yōu)槿刍?凝固機制，形成較大的溫度梯度，具有極早期的 SLS 技術(shù)制備的零件相比，從顯微組織到力學性能都提升了，無獲得近乎完全致密的零件。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;TG665;TG146.21

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本文編號：2615183