激光快速成形法制备NiTiC功能梯度材料的结构设计及优化.pdf

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1、激光快速成形法制备Ni/TiC功能梯度材料的结构设计及优化牛犇2015年01月中图分类号：TH132.1UDC分类号：621.4激光快速成形法制备Ni/TiC功能梯度材料的结构设计及优化作者姓名牛犇学院名称机械与车辆学院指导教师卢继平教授答辩委员会主席马树元教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年01月StructureOptimizedDesignofNi/TiCFunctionalGradientMaterialsbyLaserRapidFormingMethodCandidateName：NiuBenSchoolorDepartment:

2、SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.JipingLuChair,ThesisCommittee：Prof.ShuyuanMaDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015北京理工大学硕士学位论文摘要功能梯度材料(FGM)是以计算机辅助设计材料为基础，采用先进的材料复合手段，使构成材料的要素（组成和结构）沿梯度方向由一侧向另一

3、侧呈连续变化，从而使材料的功能和性质也呈梯度变化的一种可设计新型材料。Ni/TiC复合材料具有高比强、耐高温和耐腐蚀等优异性能，已成为高温结构材料的研究热点。本文希望充分利用激光快速成形技术优越的加工制造特点以及TiC耐高温耐腐蚀和Ni承载能力强的优点，设计一个加工过程中残余热应力最缓和的Ni/TiC功能梯度材料，使其一侧具有金属Ni的特性，另一侧具有TiC的特性，两者之间是成分、结构和性能都呈梯度连续变化的过渡区，最终制得的材料能具有良好的断裂韧性、较高的强度和热应力缓和特性，以期在高温结构材料、新型刀具、汽车发动机等方面得到应用。本文根据梯度材料的实际制备与使用条件，提出梯度材料的

4、目标性能要求，结合构成材料的组成分布，通过模拟计算激光直接成形制备Ni/TiC时的残余热应力，对功能梯度材料的组成和结构进行最优设计。根据对DLF制备FGM冷却后的残余热应力进行数值模拟及计算，确定了使Ni/TiC系FGM热应力得到最大程度缓和的梯度成分分布指数、层厚及层数等关键参数。数值模拟采用ANSYS参数化设计语言编制程序，通过改变其中的参数来计算不同梯度成分过度方式、不同功能梯度材料结构的残余热应力，为热应力缓和FGM的结构优化设计提供了一个通用的设计方法。关键词：激光快速成形；功能梯度材料；残余热应力I北京理工大学硕士学位论文AbstractFunctionalgradien

5、tmaterial(FGM)isonthebasisofthecomputeraideddesign(cad)materialsusingtheadvancedmaterial’compositiontechnology,whichmakesthecompositionelements(componentandstructure)changecontinuouslyfromonesidetotheothersidealongthethicknessdirection.Ni/TiChasbecometheresearchhotspotsbecauseofhigh-temperaturer

6、esistance,corrosionresistanceandetc.ThispaperismainlyaimedtomakefulluseofthesupermanufactureabilityofDLF,high-temperatureresistantofTiCandhighspecificstrengthofNitomanufacturetheNi/TiCFGMwiththelowestthermalresidualstress.Thethemalphysicalpropertiesdifferencebetweentheceramicsandthemetalcanobtai

7、nfullcompensationduetotheinterfaceinterlayer,hopingtogettheadvanceswithpropertiesofhigherstrength,betterfacturetoughnessandthethemalstressrelaxtionandcanbeappliedtohigh-temperaturestructuralmaterial、newtoolsandvehicleenginee