均勻鋁微滴沉積成形微觀組織演化機(jī)理研究.pdf

1、均勻微滴噴射沉積技術(shù)是一種新興的快速成形技術(shù)，它基于離散-堆積成形原理，以噴射產(chǎn)生的均勻微滴為基本制造單元，按照CAD模型分層數(shù)據(jù)在基板上逐點(diǎn)、逐層地沉積，從而實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的直接成形。該技術(shù)具有短周期、高柔性、適用材料廣泛、無(wú)需專用工具等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種極具潛力的微小復(fù)雜金屬零件快速成形方法。然而，均勻微滴噴射沉積成形金屬零件是個(gè)受多因素綜合影響、多場(chǎng)耦合作用的復(fù)雜過程，涉及碰撞金屬微熔滴的鋪展、回縮、震蕩與冷凝等瞬時(shí)熱、動(dòng)力學(xué)行為，

2、以及連續(xù)沉積熔滴間的交互作用，使得沉積態(tài)金屬微觀組織結(jié)構(gòu)的形成與演化有別于傳統(tǒng)凝固成形過程，且研究難度較大，目前尚未針對(duì)此類問題開展系統(tǒng)而深入的研究。
　　本文采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，依托本課題組自行設(shè)計(jì)開發(fā)的均勻金屬微熔滴按需噴射沉積成形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以7075高強(qiáng)度鋁合金為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)均勻熔滴受控沉積成形行為、沉積態(tài)金屬微觀組織形成演化過程、接觸熔滴界面結(jié)合方式以及沉積體內(nèi)部常見缺陷等關(guān)鍵問題進(jìn)行深入研究，以

3、期為該技術(shù)在微小復(fù)雜金屬零件快速制造領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果有：
　?。?）利用改進(jìn)的水平集法模擬研究了鋁合金微熔滴的氣動(dòng)按需噴射產(chǎn)生過程，并探討了飛行下落熔滴的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)變化規(guī)律，進(jìn)而確定了熔滴初始尺寸、碰撞速度和沉積溫度等參數(shù)取值范圍。在此基礎(chǔ)上分析了金屬熔滴/固態(tài)表面間的常見交互作用類型及其發(fā)生條件，并獲得了熔滴非等溫沉積過程中的熱流耦合作用規(guī)律，涉及鋪展、回縮和震蕩等瞬時(shí)現(xiàn)象以

4、及伴隨發(fā)生的高溫熔體冷凝行為，最終揭示了受控沉積鋁熔滴的典型表面形貌（如波紋）及內(nèi)部微觀組織（包括粗大晶粒、微細(xì)定向枝晶組織及粗大非定向枝晶）的形成機(jī)理；
　?。?）借助高速攝像技術(shù)，觀察研究了均勻鋁微滴連續(xù)沉積過程涉及的兩種基本模式（層間垂直堆疊和層內(nèi)水平搭接），明確了垂直柱和水平線條等典型一維結(jié)構(gòu)組織形貌的形成與演化過程，掌握了周期性熱循環(huán)效應(yīng)和競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)機(jī)制對(duì)各類典型結(jié)構(gòu)凝固組織的形成與演化過程的影響機(jī)理。進(jìn)而分析了層間熱累積

5、效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、及其對(duì)垂直柱組織形貌與力學(xué)性能等的作用規(guī)律，為掌握不同模式下沉積態(tài)金屬微觀組織的形成與演化機(jī)理奠定了理論基礎(chǔ)；
　?。?）分析了均勻鋁微滴噴射沉積三維實(shí)體的成形原理，探討了基本沉積模式的結(jié)合方式以及掃描軌跡對(duì)熔滴沉積成形行為的影響規(guī)律，并觀察研究了鋁合金沉積體的組織形貌與物相分布特點(diǎn)，包括層狀組織結(jié)構(gòu)特征、晶粒形貌尺寸、相組成及其分布、以及元素偏析狀況等，有助于進(jìn)一步確定沉積態(tài)金屬微觀組織的強(qiáng)化機(jī)理；

6、r>　?。?）確定了接觸金屬微熔滴間的主要界面結(jié)合方式（機(jī)械結(jié)合和冶金結(jié)合），并通過分析局部重熔溫度條件，提出了熔滴界面結(jié)合狀態(tài)的數(shù)值預(yù)測(cè)模型，并探討了熔滴溫度、沉積表面溫度和界面接觸熱阻等主要因素對(duì)界面結(jié)合狀態(tài)的影響規(guī)律。進(jìn)而結(jié)合拉伸試驗(yàn)結(jié)果確定了熔滴界面結(jié)合狀態(tài)對(duì)鋁合金沉積體力學(xué)性能及其斷裂方式的影響規(guī)律，為沉積態(tài)金屬零件成形工藝參數(shù)的優(yōu)化和組織性能的改善提供了依據(jù)；
　?。?）觀察了鋁合金沉積體內(nèi)部常見缺陷形貌特征，包括孔洞