多组元金属粉末选择性激光烧结数值模拟及试验研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要选择性激光烧结技术（SLS）是快速原型技术（RP）中的一个重要分支，以其选材广泛受到重视。但是，直接用金属粉末激光烧结金属零件还存在一定的不足之处，其中烧结件“球化”、翘曲和开裂现象是制约金属粉末选择性激光烧结应用的主要障碍。因此，本文针对Ni-Cu基多组元混合粉末选择性激光烧结温度和应力应变的变化规律和特点开展了系统深入的数值分析和试验研究。利用ANSYS有限元软件，建立了Ni-CuSn多组元混合粉末选择性激光烧结过程三维瞬态温度场分析模型。在考虑了相变潜热、对流和

2、随温度变化的热物性参数下，使用APDL参数化语言实现了高斯热源的施加和热源按一定速率的移动。将分析结果与试验结果对比表明，“球化”效应与温度的分布有很大的关系，通过改变工艺参数优化温度场可以有效降低烧结件“球化”效应。基于温度场的计算结果，采用热力耦合方法，建立了Ni-CuSn多组元混合粉末选择性激光烧结过程应力应变场分析模型。利用“生死”单元技术，模拟了烧结材料由粉末态转变为高温液态继而转变为连续实体的过程。结果表明，优化烧结件结构，提高预热温度，精选基板等措施可以有效避免由应力导致的烧结件翘曲和

3、开裂等现象。对添加了CuP作为添加剂的Ni-CuSn多组元混合粉末进行了烧结试验研究，获得的结果与数值模拟结果较为吻合。通过扫描电镜对烧结样品分析发现，烧结件的显微组织为微熔Ni颗粒和CuSn快速凝固的混合组织，其成形机制为液相烧结。关键词：快速原型，选择性激光烧结，ANSYS，数值模拟，温度场，应力场i多组元金属粉末选择性激光烧结数值模拟及试验研究ABSTRACTAsanimportantbranchofRapidprototyping(RP),SelectiveLaserSintering(SL

4、S)isattractivetomanyresearchersinmanufacturingforitswideuseofmetal,polymer,ceramicandotherpowderinthesintering.However,“balling”,warpingandcrackingproblemsassociatedwithmetallicSLShavepresentedseriousobstaclesthatrestrictthemoreextensiveapplicationsofS

5、LStechnique.ToalleviatethedefectsinmetallicSLS,numericalandexperimentalstudieswerecarriedoutdetailedonthefeaturesoftemperaturefieldaswellasthermalelastic-plasticstressandstrainduringmetallicSLSprocess.ByusingtheANSYSsoftware,afiniteelementmodelwhichsim

6、ulatesarealSLSprocessofamulti-componentNi-CuSnmetalpowdersystemwasestablishedtocalculatethe3Dtransienttemperaturefield.Inthemodel,thelatentheat,convectionandtemperature-dependentthermalpropertiesweretakenintoaccount.AmovingGaussianlaserbeamwassimulated

7、usingtheANSYSparametricdesignlanguage.Comparisonsweremadebetweenthenumericalandexperimentalresults.Theresultsshowthat,thedistributionoftemperatureduringlasersinteringprocesshasagreateffecton“balling”phenomenaofthelasersinteredmetalpart.Optimizingthedis

8、tributionoftemperature,whichcanberealizedbychanginglaserprocessingparameters,isaneffectivewaytodecreasethe“balling”effects.Basedontheresultsoftemperaturefield,afiniteelementmodelforanalyzingthestressfieldinSLSprocessofamulti-componentme