選區(qū)激光熔化納米TiC增強Al基復合材料數(shù)值模擬及實驗研究.pdf

1、本文針對選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）成形納米TiC顆粒增強Al基復合材料過程，建立了三維瞬態(tài)有限體積模型，模型中考慮了由粉體轉變至實體過程中材料熱物性參數(shù)的非線性變化、溫度梯度引起的表面張力梯度和能量呈高斯分布的移動激光熱源，研究了不同激光功率P和掃描速度V下熔池中熔體的熱行為、熔池的三維尺寸及液相存在時間的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：由表面張力梯度引起的Marangoni流對于熔池中熱量的傳遞及熔池三

2、維形貌的改變起著重大作用；當增大激光功率或減小掃描速度時，熔池中熔體的最高溫度、液相存在時間和熔池的三維尺寸都隨之增大；熔池中最大溫度梯度隨著激光功率的增大而明顯增大，但隨著掃描速度的增大卻呈現(xiàn)出略微增大的變化趨勢。利用實驗方法觀察了S LM制備的TiC/AlSi10Mg試樣的層間結合性、致密化行為及表面形貌，結果發(fā)現(xiàn)：當P=150 W、V=400 mm/s時，SLM成形的試樣致密化程度高、冶金結合良好，且無明顯裂紋和孔隙；當P=100

3、 W、V=150 mm/s時，試樣表面光滑、無“球化”現(xiàn)象產生。
　　進一步研究了單位長度激光能量密度（Laser Energy Per Unit Length，LEPUL）對熔池中傳熱傳質、流體流動及顆粒重排機制的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：隨著LEPUL的增大，熔池中Marangoni流變得更加劇烈，熱毛細力也隨之增大；同時，更高的激光激光能量輸入將產生更多的液相量并提高潤濕性，從而降低作用在TiC陶瓷顆粒上的粘滯阻力，有利于增強相顆

4、粒在熔池中充分運動。利用實驗方法觀察了試樣的顯微組織及TiC顆粒在基體上的分布狀態(tài)，結果發(fā)現(xiàn)：隨著LEP UL的增大，T iC顆粒從嚴重團聚逐漸變?yōu)榫鶆驈浬⒎植荚诨w上，且T iC顆粒平均尺寸也隨之增大，當LEPUL達到1000 J/m時，TiC顆粒平均尺寸增至134 nm，失去原先的納米結構。
　　引入了能量密度呈高斯分布的激光體熱源，數(shù)值模擬了不同增強相含量下熔池中的溫度場及顆粒周圍的速度場。研究表明：增大TiC含量有利于提高