均勻鋁微滴沉積成形微觀組織演化機理研究.pdf

1、均勻微滴噴射沉積技術是一種新興的快速成形技術，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、逐層地沉積，從而實現(xiàn)三維實體的直接成形。該技術具有短周期、高柔性、適用材料廣泛、無需專用工具等優(yōu)點，被認為是一種極具潛力的微小復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受多因素綜合影響、多場耦合作用的復雜過程，涉及碰撞金屬微熔滴的鋪展、回縮、震蕩與冷凝等瞬時熱、動力學行為，

2、以及連續(xù)沉積熔滴間的交互作用，使得沉積態(tài)金屬微觀組織結構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)值模擬和實驗研究相結合的方法，依托本課題組自行設計開發(fā)的均勻金屬微熔滴按需噴射沉積成形實驗平臺，以7075高強度鋁合金為實驗材料，對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、接觸熔滴界面結合方式以及沉積體內部常見缺陷等關鍵問題進行深入研究，以

3、期為該技術在微小復雜金屬零件快速制造領域的實際應用提供一定的理論與實驗依據(jù)。本文主要研究內容和結果有：
　?。?）利用改進的水平集法模擬研究了鋁合金微熔滴的氣動按需噴射產(chǎn)生過程，并探討了飛行下落熔滴的熱力學和動力學狀態(tài)變化規(guī)律，進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）及內部微觀組織（包括粗大晶粒、微細定向枝晶組織及粗大非定向枝晶）的形成機理；
　?。?）借助高速攝像技術，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水平搭接），明確了垂直柱和水平線條等典型一維結構組織形貌的形成與演化過程，掌握了周期性熱循環(huán)效應和競爭生長機制對各類典型結構凝固組織的形成與演化過程的影響機理。進而分析了層間熱累積

5、效應的產(chǎn)生機理、影響因素、及其對垂直柱組織形貌與力學性能等的作用規(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理奠定了理論基礎；
　?。?）分析了均勻鋁微滴噴射沉積三維實體的成形原理，探討了基本沉積模式的結合方式以及掃描軌跡對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，包括層狀組織結構特征、晶粒形貌尺寸、相組成及其分布、以及元素偏析狀況等，有助于進一步確定沉積態(tài)金屬微觀組織的強化機理；

6、r>　　（4）確定了接觸金屬微熔滴間的主要界面結合方式（機械結合和冶金結合），并通過分析局部重熔溫度條件，提出了熔滴界面結合狀態(tài)的數(shù)值預測模型，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界面結合狀態(tài)的影響規(guī)律。進而結合拉伸試驗結果確定了熔滴界面結合狀態(tài)對鋁合金沉積體力學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部常見缺陷形貌特征，包括孔洞