激光选区熔化铜纳米粉温度场仿真及减摩微织构制造研究

• 作 者: 沈璋文
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 激光选区熔化 温度场 微织构 减摩

摩擦磨损一直是机械工程领域的研究重点,减小摩擦副表面的摩擦系数具有提高机械系统的稳定性、节约能源等重要的意义。现有的研究表明,特殊的微织构能够减小摩擦副表面的摩擦系数。但是现有的加工工艺在制备微米尺寸的微织构时,成本相对较高且灵活性较差,难以满足多尺度表面微织构的制备需求。故本文提出激光选区熔化铜纳米粉增材制造方法制备表面微织构,并从以下几个方面进行系统的研究,主要总结如下:1.利用解析模型与数值仿真研究激光作用铜纳米粉层的热学特性。根据辐射传输方程,建立了激光作用铜纳米粉层的辐射传输等效模型,并利用Two-Flux方法进行求解得到了激光束作用铜纳米粉层的能量分布情况。在此基础上建立了纳米粉层吸收激光诱导的体热源模型,通过解析求解分析了铜纳米粉层特性参数(粉层厚度、消光系数)对体热源分布轮廓的影响与规律。建立了激光作用铜粉层的温度场有限元模型,通过温度场仿真预测了激光单道扫描轨迹的宽度。结果表明,给定激光功率范围内,单道宽度随激光功率的增大呈线性增加,扫描速度对单道宽度的影响相对较小。2.配置铜纳米粉分散液,利用自行搭建的试验平台开展激光选区熔化铜纳米粉的单道扫描、单层扫描及多层扫描试验研究。确定了稳定单道烧结和高质量平面烧结的工艺参数范围,并分别分析了单道扫描轨迹与烧结表面的缺陷形式及其产生原因。通过多层扫描试验获得了铜层厚度和表面质量与扫描层数的关系。结果表明,在合理试验范围内,单道宽度随激光功率的增大呈线性增加,验证了仿真分析的正确性,工艺参数对单道高度的影响较小;扫描间距对烧结表面质量的影响较大;稳定多层烧结的最大厚度约为30μm。3.仿真分析了表面微织构对摩擦副间润滑液膜的增压特性,根据仿真结果利用激光选区熔化铜纳米粉工艺制备了深宽比为0.2的方形微织构表面。开展了摩擦性能试验,探究了工况条件、微织构的尺寸和间距对微织构减摩性能的影响。结果表明,尺寸为100μm×100μm、间距为200μm、深宽比为0.2的方形凸起微织构表面在载荷为20N、相对运动速度为220mm/s工况条件下的减摩性能最好,与无微织构摩擦副表面相比,摩擦系数降低了49%。