cu基复合材料选区激光熔化数值模拟与实验分析

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1、中图分类号：TG146论文编号：102870614-S038学科分类号：080502硕士学位论文Cu基复合材料选区激光熔化数值模拟及实验研究研究生姓名戴冬华学科、专业材料学研究方向激光增材制造指导教师沈以赴教授顾冬冬教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一四年三月万方数据万方数据南京航空航天大学硕士学位论文摘要本文针对W-Cu复合体系选区激光熔化过程，建立了三维瞬态定点和移动热源下的熔化―凝固数学模型，研究了不同激光功率P和扫描速度V下的熔池表面的温度场和速度场及熔池中W颗粒周围熔体流场和受力情况。当激光

2、功率P由600W增至900W时，熔池表面温度梯度与速度场耦合夹角θ由50°减为0°，熔池表面对流传热加快。在定点热源P≥800W或移动热源(线能量密度η=16kJ/m)条件下，熔池中W颗粒的周围会产生二次流，使得W颗粒受到由压强差所引起的压力的作用。当二次流产生的引力矢量与压力矢量夹角为锐角时，W颗粒趋于形成小环状结构，限制了其重排且易于发生团聚；反之，W颗粒趋于形成大环状结构，易于均匀分布。利用有限体积法模拟SLM制备WC/Cu复合材料时温度场和致密化行为，物理模型中考虑了粉体向块体的转变、温度梯度引起的表面张力和

3、移动的高斯热源。研究了激光线能量密度对温度分布、熔池尺寸、气泡的运动行为以及熔池的致密化行为。激光辐照区域的温度场呈非对称，且偏向于激光扫描方向的后方；熔池尺寸为数百微米并随着线能量密度η的增加而增加。在优化的工艺条件下（η=17.5kJ/m），熔池内气泡能顺利逸出熔池，并且凝固试件的最高致密度达96%。当采用的η超过20kJ/m时，熔池内气泡易于被Marangoni流俘获，流动的熔体将气泡推向熔池底部或在回流的作用下发生团聚。实验获得了试件的相对致密度和对应孔隙尺寸及形貌，实验与模拟结果相匹配。研究SLM加工WC/

4、Cu试样时，熔池表面的熔体流向为径向向外，但当激光线能量密度η较高时（η>20kJ/m），熔池表面的熔体流动开始出现紊乱，失去了熔体径向流动的规律性；熔池表面熔体的最高流速出现在熔池边缘。熔池内湍流强度和熔体回流次数随着线能量密度的增加而加大，在优化的工艺参数下（η=17.5kJ/m），熔池内平均湍流强度和熔体回流次数分别为260和208，加快了WC颗粒重排效率，并均匀分布于凝固后的基体中；同时，WC颗粒受到方向相反的压力和重力作用，避免了自身发生团聚。关键词：选区激光熔化，数值模拟，Cu基材料，温度场，速度场I万方

5、数据Cu基复合材料选区激光熔化数值模拟及实验研究ABSTRACTAmeltingandsolidificationmathematicalmodelunderstationaryormovinglaserbeamsatvariouslaserpowersPandscanspeedsVwasestablishedtosimulatetheselectivelasermeltingofcopper-tungstenpowdersystem.Thetransienttemperatureandvelocityfieldas

6、wellastheforcesactingontungstenparticleswereobtained,andthemetallurgybehaviorinthelaser-powderinteractionzonewasanalyzed.TheresultsindicatedthatwhenthelaserpowerPrangedfrom600Wto900W,thevalueoffieldsynergyangleθdecreasedfrom50°to0°,implyingtheenhancementofheatt

7、ransferfromlasercentertoedgeofmoltenpool.Undertheconditionofastationarylaserbeam,P≥800W,orforamovinglaserbeam,η=16kJ/m,thereexistedthesecondflowonaroundthetungstenparticles,leadingtotheformationofpressureactingonthetungstenparticleinducedbythepressuredifference

8、.Astheincludedangleofattractiveforceandpressurewasacuteangle,tungstenparticlestendedtoformsmall-scaledrimstructureandtherearrangementratewaslimited,accordinglytendingtoforms