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面向增材制造的粉末束流对激光能量散射损失规律的理论研究

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应用激光 2014年第3期34卷 211-216页

作者：牛建强武强邹江林肖荣诗北京工业大学激光工程研究院北京100124

同步送粉激光增材制造是一种通过粉末添加方式快速制造实体零件的先进技术。在激光增材制造过程中,激光与粉末束流将产生相互作用,激光能量的损失是由于粉末束流对激光的散射作用。本文基于米氏散射理论建立数学模型,研究粉末束流对激... 详细信息

同步送粉激光增材制造是一种通过粉末添加方式快速制造实体零件的先进技术。在激光增材制造过程中,激光与粉末束流将产生相互作用,激光能量的损失是由于粉末束流对激光的散射作用。本文基于米氏散射理论建立数学模型,研究粉末束流对激光能量的散射损失规律。结果表明:激光能量散射损失与粉末颗粒物理特性、激光波长、粉末颗粒大小、送粉量等因素有关。粉末颗粒导电性能越好,其对激光的散射损失越大;激光波长越长,散射损失也越大;而在相同送粉量时,粉末颗粒半径越小,激光能量散射损失越大。从激光能量散射损失角度考虑,激光增材制造宜选择短波长激光和大颗粒粉末。

关键词：激光增材制造粉末束流米氏散射能量损失理论模型

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工艺参数对同轴送出粉末流动状态的影响

焊接学报 2017年第5期38卷 13-17页

作者：杨义成王威王旭友黄瑞生机械科学研究院哈尔滨焊接研究所哈尔滨150028

借助高速摄像拍摄同轴送粉粉末束流宏观形貌,结合图像灰度化处理方法,系统研究不同工艺参数对粉末束流动状态的影响.针对所用研究方法的可行性进行了评估.结果表明,用灰度值表征粉末空间浓度大小具有较高的可行性.粉末束流焦点处及上、... 详细信息

借助高速摄像拍摄同轴送粉粉末束流宏观形貌,结合图像灰度化处理方法,系统研究不同工艺参数对粉末束流动状态的影响.针对所用研究方法的可行性进行了评估.结果表明,用灰度值表征粉末空间浓度大小具有较高的可行性.粉末束流焦点处及上、下间隔3 mm左右范围内横截面的粉末空间浓度分布基本呈典型的高斯分布;送粉速率对粉末束流焦点位置影响较小;随着载气量增加粉末焦点位置逐渐上移,粉斑直径逐步变小;同轴保护气流量不易过大,8 L/min是其临界值,大于该值可能会因产生"涡流现象"而导致粉末的运动轨迹发生变化.

关键词：高速摄像灰度值粉末束流高斯分布

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激光粉末快速微成形送粉系统的研究

激光粉末快速微成形送粉系统的研究

作者：武强北京工业大学

学位级别：硕士

21世纪，科学技术的发展趋向之一是向微小方向发展，由毫米级、微米级继而涉及纳米级。微米/纳米技术使人类在认识和改造自然方面进入了一个新的层次，使单位体积信息处理和运动控制的能力实现了又一次飞跃。微机械(micromachines)或... 详细信息

21世纪，科学技术的发展趋向之一是向微小方向发展，由毫米级、微米级继而涉及纳米级。微米/纳米技术使人类在认识和改造自然方面进入了一个新的层次，使单位体积信息处理和运动控制的能力实现了又一次飞跃。微机械(micromachines)或者微机电系统 MEMS(micro electro mechanical systems)是80年代兴起的一个边缘性，交叉性的高技术研究领域。它是指毫米和微米尺度的机械。微机械的研究目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新的科学技术领域和产业。美国、日本、德国等发达国家均将此项研究列为21世纪的重点发展学科。由于大功率激光器的研制成功以及商业化生产，激光快速成型技术在20世纪90年代得到了迅速的发展。在激光快速成型技术的发展中，主要出现了两个分支：一是利用快速成型的思想进行所需零件的原型制造，如立体光制造技术(SLA－Stereo Lithography Apparatus)、叠层制造技术(LOM－Laminated Object Manufacturing)、激光选区烧结技术(SLS－Selective Laser Sintering)等等;另一种技术是利用快速成型的思想进行所需零件的实体制造，获得具有使用性能的致密性功能零件。该技术也被成为直接光制造技术(Directed Light Fabrication)[9]。在微机械加工中，一个重要技术指标是分辨率。在快速成型微细加工中，把分辨率区分为扫描分辨率以及成型分辨率。成型分辨率是指成型的最小单位，也称为光固化单元;扫描分辨率则指扫描机构移动的最小距离。从成型工艺角度上讲，光固化单元就是单个激光脉冲固化固体金属粉末的体积或者单道激光光束固化金属粉末所获得固化轨迹的单位体积。要想获得细小的光固化单元，对于激光粉末快速微成形工艺而言，主要从下面两个方面入手： a)、使用具有光斑直径细小的激光器，通常选择倍频激光器或者光纤激光器。 b)、选择粉末颗粒直径小的金属粉末作为激光粉末快速微成形固化材料。正是针对于此，北京工业大学激光工程研究院利用自身的技术优势，将激光快速成型的制造思想同微机械的研究结合起来，提出了基于纳米粉/纳米相粉进行激光快速微成形的全新思路。纳米粉/纳米相粉激光粉末快速微成形技术是激光快速成型技术在微领域的应用和发展。而实现将纳米粉/纳米相粉稳定均匀地输送至成形表面，则是利用同步送粉方式进行激光粉末快速微成形的技术前提。纳米粉/纳米相粉粉末颗粒直径小，所以具有团聚严重，吸附性强，随气相介质流动性强等特点，所以不能用传统的激光粉末快速成形送粉系统来输送，必须重新设计送粉系统。所以为了解决纳米粉/纳米相粉的稳定输出问题，本文从纳米粉/纳米相粉送粉器、粉末输送管路以及送粉工作头三个方面进行研究和探讨，最后获得均匀、稳定性好、挺度高、粉末束流形貌好的粉末输出束流。首先, 在满足工艺条件的基础上，出于能够连续稳定输送粉末束流以及获取小送粉量的考虑，改进转刷式送粉器送粉直流电机励磁电路，实现了送粉量在14/min909/min范围内连续可调，并且实现低送粉量下送粉器稳定运转，从而为获得较细的粉末输出束流奠定了坚实的试验基础。针对纳米粉/纳米相粉在气相介质中的传输特点，提出封闭式渐缩型粉末输送管路的思路，有效地实现了低粉末输送气体流量和减小粉末输出速度的目的，为激光粉末微成形工艺试验奠定了良好的试验前提。使用纳米TiO2粉末(平均颗粒直径为21nm)和羟基铁粉(平均颗粒直径为2.3um)，通过大量粉末输出工艺试验，得出纳米粉/纳米相粉粉末输出束流形貌同粉末输出管嘴几何结构的一些定性关系，从而为下一步减小粉末输出束流直径，以及提高纳米粉/纳米相粉粉末输出束流挺度提供了有利的试验依据和理论基础。根据前期工艺试验设计制造送粉工作头。从试验结果看，此工作头输出粉末束流具有稳定性好、挺度高、保护气保护性能好、粉末束流无偏吹、无畸变的特点。该工作头结构紧凑、重量轻、便于安装以及精细调节。利用此送粉工作头输送超细微米羟基铁粉，使用小功率Nd:YAG激光器和倍频激光器进行简单成形工艺试验，获得了较为满意的成形效果，从而说明此送粉系统完全符合激光粉末快速微成形的工艺要求。根据激光粉末快速微成形工艺要求，设计加工了送粉工作头的精细调节装置。该装置可以实现送粉工作头倾斜角及三维位置的精细调节，从而有利地保证了粉末输出束流同激光光束焦点在成形面上的精确配合，为工艺试验打下了坚实的基础。最后使用本送粉系统结合小功率Nd:YAG连续激光器，进行简易成形工艺试验。试验证明说明该送粉系统在成形工艺中可以实现连续稳定的运行，以及说明在成形工艺中采用小送粉气体流量是有利的。更进一步说明采用纳米粉及纳

关键词：激光粉末快速微成形纳米粉/纳米相粉送粉系统粉末束流挺度送粉工作头

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高能等离子喷涂TBCs热循环失效机理研究

热喷涂技术 2014年第4期6卷 33-39页

作者：赵云柳彦博赵伟伟王全胜王皓北京理工大学材料科学与工程学院北京100081 中航新大洲航空制造有限公司北京101300

本文研究了高能等离子喷涂和大气等离子喷涂两种工艺中粉末束流的特点,并采用两种喷涂工艺制备YSZ涂层,通过观察涂层在热循环条件下的微观组织变化,探讨了高能等离子喷涂YSZ涂层的热循环失效机理。结果表明,采用高能等离子喷涂工艺时,... 详细信息

本文研究了高能等离子喷涂和大气等离子喷涂两种工艺中粉末束流的特点,并采用两种喷涂工艺制备YSZ涂层,通过观察涂层在热循环条件下的微观组织变化,探讨了高能等离子喷涂YSZ涂层的热循环失效机理。结果表明,采用高能等离子喷涂工艺时,粉末粒子的速度可达430m/s,而采用常规大气等离子喷涂时,其速度仅为275m/s;采用高能等离子喷涂工艺制备的YSZ涂层的结合强度可大于60MPa,而大气等离子喷涂的YSZ涂层的结合强度为45MPa;与大气等离子喷涂相比,高能等离子喷涂工艺制备的YSZ涂层的热循环寿命可提高20%;在热循环过程中涂层内可形成垂直裂纹,但两种涂层的热循环失效方式相似。

关键词：高能等离子喷涂粉末束流热循环