激光烧结多孔金属的成形机理及实验研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要激光烧结快速成形技术因其取材广泛性、工艺灵活性，可用于制备具有新颖结构的多孔金属。但目前多孔金属激光烧结制备研究尚处于起步阶段，对其中涉及的孔结构形成与控制等基础理论，以及激光快速定向凝固过程中，温度梯度和凝固速率对显微组织的影响等均有待深入探讨。本文采用数值模拟、理论分析和实验研究相结合的方法，通过对多孔金属气孔形成机理的实验研究，获得相关基础理论用于指导多孔金属的激光制备。研究了激光定向凝固条件下气孔的形核机理及长大方式，获得了气泡非自发形核的热力学及动力学条件。结果表明，气孔的长大主要有两种方式：金

2、属熔体中气体的析出和凝固界面处气孔的生长；而只有在凝固界面处析出的气体才能与固相一起长大，并形成规则的藕状多孔结构。通过对烧结熔池内气孔长大方向及速度的实验研究，获得了激光工艺参数与气孔生长方向及速度的关系。研究表明，可通过改变工艺参数，来控制气孔的生长，进而实现对多孔结构的控制。建立了孔隙率和孔间距的理论计算模型，并将实验数据与理论计算结果进行了比较。结果发现，利用本文建立的孔隙率计算模型，预测结果与实验值吻合良好。对激光烧结多孔不锈钢试样进行了显微硬度值的测量，定量分析了激光功率、扫描速率对显微硬度值的影响。对烧结试样进行了压缩性能

3、测试，通过分析压缩过程中的变形机理，建立了多孔不锈钢压缩应力－应变的数学关系式。对试样进行了拉伸性能测试，获得了适用于多孔不锈钢的孔隙率与抗拉强度的应用公式，为优化激光工艺参数提供了有利依据。关键词：激光烧结，定向凝固，藕状多孔结构，形核机理，生长方式，孔隙率，力学性能i激光烧结多孔金属的成形机理及实验研究ABSTRACTRapidLaserSinteringManufacturing(RLSM),duetoitsflexibilityinfeedstockandshapes,exhibitagreatpotentialfordevel

4、opingnovelporousmetallicmaterial.However,lasersinteringtechnologyisstillinitsearlystageofdevelopment.Significantfurtherresearchandunderstandingarerequiredintheaspectofbasictheoriesproducingporousmetalsinformingofgasporeandporousmicrostructure,andduringtheprocessoflaserra

5、pidsolidification,theeffectoftemperaturegradient,velocityofsolidificationonthemicrostructureinvolvedinlasersintering.Inthispaper,bycombiningtheoreticalanalysis,numericalsimulationandexperimentalstudy,foamingmechanismofgasporewereanalyzedthoroughly,andthebasictheorywhichc

6、ancontrolthetechniqueofporousmetallicmaterialwereachieved.Detailedthemechanismofnucleationandgrowthpatternofgasporeforrapiddirectionsolidificationinlasersintering,thethermodynamicsandkineticconditionsofheterogeneousnucleationwereachieved.Analyzedtheformingmodeofpore,intr

7、oducedthegasseparatefromthemeltingmetalandthesurfaceofsolidification,butonlythegascamefromthesurfaceofsolidificationcouldgrowwiththesolidandformintolotus-typeporous.Theresearchonthedirectionandvelocityofthegrowthofgasporeinthesinteringpoolwerestudied.Theeffectofparameter

8、sonthegrowthofporeandtherelationshipbetweenparametersandthemicrostructurewereobtained.So,wecancontrolth