激光增材制造镍基高温合金温度场的数值模拟研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151100151硕士学位论文（学生类别：全日制学术型硕士研究生学科名称：材料科学与工程论文题目：激光增材制造镍基高温合金温度场的数值模拟研究英文题目：NumericalsimulationstudyonthetemperaturefieldofNi-BaseSuperalloypreparedbyLaseradditivemanufacturing学生姓名：郭瑞星导师姓名：白朴存教授二○一八年六月内蒙古工业大学硕士学位论文摘要激光增材制造技术是基于分层制造原理，利用材料逐层累积的方法，将CAD数字模型制造为实体零件的一种新型

2、技术。与传统切削技术相比，该技术具有易实现数字化制造、无需模具夹具、不受零件结构的限制、材料利用率高等一系列优点，在航空航天、汽车制造、电子产品、医疗器械等行业具有广泛的应用前景。对于激光增材制造技术的研究，主要是研究其制造过程中温度场的分布规律。但是由于实时测量熔池内的温度非常困难，从而导致温度变化规律难以把握，并且需要大量的实验才有可能发现其中的规律。这样就会付出很高的时间成本，因此通过实验的手段对激光增材制造过程中的温度变化规律进行研究，可操作性不强。数值模拟软件的开发，为解决这一问题提供了一种非常便捷的方法。本文选用ANSYS数值模拟软件，利用其热源移动技术和“生

3、死单元”技术来模拟激光增材制造过程。首先对温度场进行有限元模拟计算，将温度场模拟结果作为已知条件，通过间接耦合对应力场应变场进行模拟计算，得到激光增材制造过程中零件的应力/应变演化规律。本文以长方体模型和薄壁圆筒模型的制造过程为模拟对象。保持激光功率、扫描速度、光斑直径等参数不变，通过改变熔覆层的厚度、模型曲率等参数，得到不同条件下的温度场分布情况。从而模拟计算应力场应变场的分布规律，了解激光增材制造过程中温度场的整体分布规律以及熔覆层厚度、零件曲率等参数对熔覆过程中温度场、应力应变场分布情况的影响规律。通过对模拟结果的分析，发现温度场的分布随着熔覆层数的增加，是一个动态

4、变化的过程。对于每一个坐标点的金属粉末，在时间维度上都存在一个温度突变的过程，且温度有两次峰值会达到金属粉末的熔化温度，这样可以使上下两层对应点的金属粉末达到冶金结合。层厚的减小和曲率的产生会对热量的传递产生明显的影响，尤其是当熔覆层的厚度减小时，有利于热量的传递，但会增长熔覆时间，影响制造效率。在增材制造的零件体积较小，高度较低时，热量的散失路径主要为Z方向(高度增加的方向)散热，导致Z方向的温度梯度较大，在成型零件中易形成沿Z方向生长的柱状晶。通过对应力应变场的模拟结果进行分析，发现由于在熔覆刚开始的时候，熔覆层与基板紧密连接，二者之间的热传导非常强烈，导致该处的温度

5、梯度非常高，而且由于基板对熔覆层的约束作用，从而会产生较大的热应力，且以拉应力为主。当超过其屈服强度时，会导致零件产生变形，当超过其极限抗拉强度时，会导致熔覆零件在根部处产生裂纹。I内蒙古工业大学硕士学位论文关键词：激光增材制造；温度场；应力/应变场；ANSYS内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractLaseradditivemanufacturingisanewtechnologythatbasedonlayeredmanufacturingprincipleandmaterialaccumulationmethodtoturnCADmodelsintosolidpa

6、rts.Comparedwithtraditionalcuttingtechniques,thetechniqueshaveaseriesofadvantagessuchaseasytorealizedigitalmanufacturing,noneedformouldclampingdevice,notlimitedbythestructureofpartsandhighmaterialutilization,therefore,inaerospace,automobilemanufacturing,electronicproducts,medicaldevicesan

7、dotherindustrieshavewideapplicationprospects.Thestudyonlaseradditivemanufacturingtechnologyismainlytostudythedistributionoftemperaturefieldinthemanufacturingprocess.However,itisverydifficulttomeasurethetemperatureofmoltenpoolinrealtime,thus,thelawoftemperaturechange