激光熔覆系统能耗建模分析方法研究

针对增材制造过程耗能机理复杂和能耗难以预测的问题,开展激光熔覆系统能耗建模分析方法的研究.根据激光熔覆系统的工作原理及能耗特性,将其分为激光发生器系统、冷却系统、机械臂控制柜、送粉系统以及辅助系统等5部分,通过理论分析和实验规律研究得到各部分能耗模型及系统整机能耗模型.最后通过316L不锈钢试件的激光熔覆实验对能耗模型和比能耗进行分析,结果表明,能耗和比能耗的预测结果与实验测量结果误差分别为1.37%和2.17%,从而验证了模型的准确性和有效性.该模型可用于激光熔覆系统能耗预测、工艺路线改善,实现绿色发展等,所提方法也可为其他增材制造技术相关能耗研究提供参考.     

基于COMSOL的激光熔覆单层单道温度场有限元仿真分析

为了确定高速钢刀具表面激光熔覆工艺的最优参数,利用COMSOL软件建立激光熔覆温度场三维数值模型,模拟高速钢基体单层单道熔覆Fe60粉末的动态过程,同时考虑粒子对激光束的遮蔽作用,优化热源模型.模拟结果发现,激光辐照前端熔覆层熔池温度梯度大,熔池尾端温度梯度趋于平缓.最终确定最优工艺参数为：激光功率1 300 W,扫描速度2 mm/s,送粉速率12 g/min.     

激光立体成形技术中工艺参数的数值模拟分析

激光立体成形是一种非常复杂的热力学耦合过程,影响成形过程的因素很多.本文在对激光立体成形技术国内外发展研究现状进行概述的基础上,通过对同步送粉激光熔覆技术原理的分析建立了热力学模型,并针对10.6μm的CO_2激光器加热熔覆不锈钢材料3Cr13进行了工艺参数的数值模拟分析.结果表明光斑直径越大能量密度越低,光斑直径越小能量密度越高;同一功率下,扫描速度越大,单道熔覆宽度越小;扫描速度相同,功率越大,单道熔覆宽度也越大.     

激光熔覆中工艺参数对形成层几何特征及硬度影响分析

激光熔覆技术的实质是合金粉末快速熔化和凝固的过程,其形成层的形状和性能与工艺参数密切相关.为了了解工艺参数对激光熔覆形成层几何特征及硬度的影响规律,根据正交试验设计方法设计研究了工艺参数(激光功率、扫描速率、送粉速率)对单道单层熔覆层几何特征(熔覆层高度、宽度与熔池深度)与硬度影响的试验,根据试验结果归纳了工艺参数对单道单层熔覆层几何特征与硬度的影响规律,解释了造成这些影响的原因,试验表明激光功率是影响熔覆层几何特征的最显著因素.此外,使用了一个激光熔覆层的几何特征数学模型对照验证了试验结果.     

激光熔覆-激光气体氮化方法制取TiCN-TiN复合熔覆层

采用500W YAG脉冲激光作为辐射源,TiCN粉末为熔覆材料,高纯N2气作为氮化元素和保护气体,利用激光熔覆-激光气体氮化(LC-LGN)方法,在钛合金(Ti-6Al-4V)表面制备了以TiCN和TiN为主的复合熔覆层.研究了激光工艺参数对TiCN-TiN复合熔覆层成分的影响.对熔覆样品进行了XRD物相分析和显微硬度测试.结果表明:在激光功率和脉冲宽度一定的条件下,脉冲频率、扫描速度是影响TiCN-TiN复合层形成的主要因素.合适的工艺参数组合为:脉冲频率为15 Hz,脉宽为3.0 ms,扫描速度为2.0 mm/s.扫描速度小于2.0 mm/s时,熔覆过程中氧化现象严重,而高于2.0 mm/...     

同轴送粉喷嘴气固两相流流场的数值模拟

在激光金属直接制造过程中,为获得较小特征尺寸和组织致密的熔覆零件,采用气固两相流理论对载气式同轴送粉喷嘴的内外流场进行了数值模拟,应用FLUENT软件中的离散相模型计算了粉末的流场浓度分布规律及汇聚特性.计算结果表明,同轴送粉喷嘴的焦点浓度在径向和轴向都近似服从高斯分布,在同轴送粉喷嘴锥角不变时,锥环间隙越小,粉末流场焦点处的浓度越大,聚焦半径和焦距越小,汇聚特性就越好.在同轴送粉喷嘴锥环间隙不变时,锥角过大或过小均不利于粉末汇聚,选择最佳锥角有利于获得最佳汇聚特性.在其他条件不变时,外层保护气体流速过大或过小也不利于粉末汇聚,当外层保护气体流速为6 m/s时,同轴送粉喷嘴粉末的汇聚特性最佳.因此,所建模型和模拟结果对同轴送粉喷嘴的设计和结构优化具有参考价值.     

抽油机光杆激光熔覆表面耐磨损性能研究

以抽油机光杆常用20CrMo钢为基体材料,选择Co基、Ni基和Fe基合金粉末为熔覆材料,使用HGL 9450-000型5 kW横流CO2激光器,采用同步送粉方式进行激光熔覆加工,获得了组织致密无宏观缺陷的激光熔覆层.利用硬度计和MPX-2000型盘销式摩擦磨损试验机对20CrMo钢及三种自熔合金涂层试样进行耐磨损性能研究.     

Z轴离焦量对激光熔覆成形的影响

为了深入探究Z轴离焦量对激光熔覆成形的影响,综合考虑Z轴离焦量导致的熔池粉末利用率、激光能量密度等因素对熔覆成形的影响,通过改变激光功率、扫描速度、气流量、离焦量4个因素进行L_(16)(4~4)正交试验,以及Z轴离焦量变化的单因素试验,揭示激光功率、扫描速度、气流量、离焦量4个因素对熔覆成形的耦合作用规律.正交试验结果表明,离焦量、激光功率、扫描速度、气流量在激光熔覆成形中都扮演着重要角色,对熔覆效率的因素影响主次为:激光功率气流量离焦量扫描速度.Z轴离焦量单因素试验结果表明:激光熔覆过程需要一定的离焦量才能获得最佳熔覆质量;当离焦量为5mm时,熔覆层的高度最高;当离焦量小于或大于5mm时,熔覆层高度降低;当Z轴离焦量逐渐增加时,粉末利用率先逐渐增加再逐渐减少.     

铝青铜表面激光熔覆镍基合金温度场的数值模拟

以铝青铜为基材、铜镍合金为熔覆粉末,采用压粉方式实现激光熔覆加工.对此过程建立二维温度场数值模型,考虑温度变化对铝青铜热物理参数的影响以及表面对流换热、内部结晶潜热等因素,用C++语言编写激光熔覆过程中温度场模型的计算程序.结果表明,激光熔覆加工过程中的温度场变化是由非稳态到达稳态的过程,激光光斑附近温度梯度较大,远离光斑处温度梯度较小.由温度场分布图得知,为优化加工质量,满足熔覆要求,试验应采用由高到低的功率进行熔覆.     

自愈合效应对光内送粉激光变斑熔覆成形薄壁件的影响

为提高激光熔覆成形不等宽构件的成形效率及成形精度,设计了相应的实验:基于光内送粉方式,在单道工艺中采用实时变激光光斑方法,一次扫描而非多道搭接直接熔覆出不等宽熔覆层,逐层堆积制造薄壁零件。分析了变斑过程中激光离焦量连续变化及"拼接"后分段连续变化对薄壁件成形质量的影响规律,结果表明:激光离焦量在-3~-5mm段时薄壁墙顶部平整,表面成形质量良好,熔覆层顶端形貌存在"自愈合"效应,而激光离焦量在0~-2mm段时薄壁墙顶部不平整,成形质量很差;在负离焦范围内,随激光离焦量增大,熔覆层高度先增加后降低,在-2.5mm处取得最大值;在正离焦范围内,熔覆层高度随激光离焦量增大也是先增加后降低,在2.5mm处取得最大值。为实现变斑过程中熔覆层尺寸的连续变化,且充分利用自愈合效应,提出了激光离焦量区间的拼接方法,获得了变斑过程中的自愈合区间,在此区间内逐层堆积出了熔覆层宽度从1到3mm连续变化的薄壁件。此项研究可望为光内送粉激光熔覆成形薄壁变壁厚类零件提供新的方法和工艺。     

星载ATP二维转台抗力学环境设计

为了使某星载二维光电转台满足飞行平台对载荷动力学性能的要求,首先,对二维转台及其光学负载试验件进行力学摸底试验,找到初期结构抗力学环境性能的缺陷和不足。其次,通过对振动控制理论和轴系支撑刚度理论的分析、总结,指出了二维转台抗力学设计的关键,并为优化设计指明了方法和途径。最后,对二维转台支撑轴系和负载特性进行了详细地优化设计,并对改进后的新结构再次进行全面的力学环境试验。试验结果表明:二维转台的一阶固有频率得到大幅度提高,由之前的60 Hz提高到了90 Hz;沿平台发射方向的共振频率也由70 Hz提高到110 Hz,完全使载荷与平台的振动解耦;并且系统振动响应的非线性也得到了有效的改善。所以,优化设计后二维转台系统的动力学特性从根本上得到了改善,并能够通过航天鉴定级力学环境试验的考核。     

921A钢激光熔覆的工艺参数研究

根据激光熔覆的主要影响因素,用实验的方法,通过宏观和微观的分析,探究了WC添加量、激光功率、预置粉末厚度和扫描速度对在921A钢基体上制备Fe基WC复合粉末熔覆层的影响。实验结果表明WC20%添加量、激光功率5 500 W、预置粉末厚度1.5 mm和扫描速度8 mm/s是激光熔覆制备Fe基WC复合粉末涂层的较优工艺。这一结果对921A潜艇钢表面激光改性的工艺参数优化具有重要的参考意义。     

水洞大攻角尾撑系统的设计

针对水洞支撑系统还不完善的现状,以AutoCAD、Pro/E等软件平台为基础,设计了用于水洞的尾撑系统,该尾撑系统由攻角机构、转盘机构等部分组成.具体内容包括系统的方案设计、结构设计、三维建模等,并对主要传动机构进行了相关的尺寸计算以及材料力学性能校核.计算结果表明：该尾撑系统具有较大的攻角调节范围,强度和尺寸符合设计要求.     

基于变量化设计技术的整体式固冲发动机一体化设计系统

将变量化设计技术应用到整体式固体火箭冲压发动机一体化方案设计中。利用变量化约束将设计过程与几何造型过程进行有机结合,在VC.NET 2003平台下自主研发了一套固体火箭冲压发动机一体化设计系统。该软件包括进气道设计、燃气发生器设计、助推补燃室设计、发动机性能计算和飞行弹道计算,为整体式固体火箭冲压发动机方案设计提供一套方便快捷的工具。     

铜板上激光熔覆制备Co-Ni-Cu梯度涂层

用10 kW CO2激光器,通过优化激光快速熔覆工艺参数,先在铜合金上制备镍基韧性过渡层,再在其表层采用同步送粉工艺,在上述镍基涂层表面制备了结合良好且组织细小致密、无缺陷的钴基合金涂层,成功制备了Co-Ni-Cu梯度涂层.铜基体-镍基过渡层-钴基工作层的成分、组织和热物理性能呈现梯度分布,使熔覆过程中的热应力被缓解,完全避免了裂纹的产生.M7C3和M23C6型碳化物及钴基固溶体的形成使钴基工作层显微硬度高达655 HV,是铜合金硬度(90 HV)的7.3倍,而且从铜合金基体至镍基过渡层再到钴基工作层,显微硬度也呈梯度平缓增大,因此涂层具有无裂纹、内韧外硬的特性.     

激光熔覆产生的熔池温度与对流分析

由激光熔覆产生的熔池的内部存在复杂的传热与传质过程.鉴于熔池的尺度微小以至于难以对其进行实时监控,构建了一个激光熔覆数值模型,对熔池内部的温度分布与对流模式进行了仿真分析.结果表明:熔池的温度梯度非常高,且熔池底部延伸至基体的部分由于高温发生再奥氏体化.熔池内的流体流动主要由Marangoni运动驱动,且熔池内的对流形式为环形对流,最高流速达到0.1m/s.研究结果能够为熔覆层的成型过程及合金粉末在熔池内的传输过程提供理论依据.     

激光熔覆工艺参数对熔覆层形貌的影响及优化

应用IPG-500激光器对45号钢进行了激光熔覆,研究了工艺参数对熔覆层形貌的影响,采用极差分析找出影响熔覆层形貌的关键因素.在此基础上,提出采用灰色关联度分析不同参数组合下的熔覆层质量与理想的熔覆层质量之间的关联度,从而找出最佳的激光熔覆工艺参数组合.结果表明,激光功率与扫描速度是影响熔覆层形貌的主要因素,并且在激光功率为400W,扫描速度为7mm/s及送粉速率为0.7r/min的条件下,所获得的熔覆层质量最优,为激光熔覆工艺参数的选择提供理论支持.     

钛基体激光直接熔覆ZrO 2涂层实验研究

采用激光同轴送粉工艺在钛基体上直接熔覆ZrO2陶瓷涂层,研究不同工艺参数对单道熔覆层熔覆质量的影响规律;采用光学显微镜观察陶瓷涂层的微观组织,并采用电子探针技术分析基体和ZrO2陶瓷结合区成分分布;利用XRD分析激光熔覆前后ZrO2陶瓷物相变化情况.结果表明:在一定的功率范围内,熔覆层宽度受激光功率的影响不大,熔覆层高度和基体熔化深度随工艺参数的变化呈现一定的规律性;ZrO2和Ti基体结合区形成很好的成分梯度渐变过渡,陶瓷微观组织为细小的枝状晶组织;激光熔覆ZrO2陶瓷后,单斜相(m相)衍射峰强度相对减弱.     

表面损伤叶轮激光增材再制造研究

为了实现表面损伤叶轮的再制造,提出了叶轮激光熔覆增材再制造流程,并利用激光熔覆技术在叶轮材料试样表面进行Fe基粉末熔覆实验;叶轮再制造流程主要包括设备拆解、清洗、检测、再制造加工、零件测试、装配、喷涂包装等;激光熔覆实验表明粉末与基体产生了良好的冶金结合,组织致密且无未熔化粉末颗粒,熔覆层硬度达到625.7 HV,约为基体材料硬度的1.57倍,屈服强度为641 MPa;激光熔覆再制造叶轮经着色探伤检测和工业CT检测等显示再制造熔覆区域无裂纹、气孔等质量问题,采用去重式平衡,动不平衡量小于标准值750 g.mm,叶轮安装调试一次成功,各项指标满足要求。