選區(qū)激光熔化納米TiC增強(qiáng)Al基復(fù)合材料數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)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(qiáng)Al基復(fù)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(zhuǎn)變至實(shí)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(dòng)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(shí)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(dāng)增大激光功率或減小掃描速度時(shí)，熔池中熔體的最高溫度、液相存在時(shí)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(shí)驗(yàn)方法觀察了S LM制備的TiC/AlSi10Mg試樣的層間結(jié)合性、致密化行為及表面形貌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)P=150 W、V=400 mm/s時(shí)，SLM成形的試樣致密化程度高、冶金結(jié)合良好，且無明顯裂紋和孔隙；當(dāng)P=100

3、 W、V=150 mm/s時(shí)，試樣表面光滑、無“球化”現(xiàn)象產(chǎn)生。
　　進(jìn)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(zhì)、流體流動(dòng)及顆粒重排機(jī)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(xì)力也隨之增大；同時(shí)，更高的激光激光能量輸入將產(chǎn)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(qiáng)相顆

4、粒在熔池中充分運(yùn)動(dòng)。利用實(shí)驗(yàn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著LEP UL的增大，T iC顆粒從嚴(yán)重團(tuán)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(dāng)LEPUL達(dá)到1000 J/m時(shí)，TiC顆粒平均尺寸增至134 nm，失去原先的納米結(jié)構(gòu)。
　　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(qiáng)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