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金属熔滴碰撞、铺张数值分析（英文）

稀有金属材料与工程 2017年第4期46卷 893-898页

作者：李素丽魏正英杜军魏培卢秉恒西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室陕西西安710049

基于金属熔滴沉积成形的3D打印技术,金属熔滴沉积成形质量与金属熔滴及基板参数有很大关系。对金属铝熔滴在不同参数下(比如:熔滴直径、滴落速度、比热、导热系数、潜热以及基板温度等)凝固过程中的最大铺展因子关系进行了研究。采用VO... 详细信息

基于金属熔滴沉积成形的3D打印技术,金属熔滴沉积成形质量与金属熔滴及基板参数有很大关系。对金属铝熔滴在不同参数下(比如:熔滴直径、滴落速度、比热、导热系数、潜热以及基板温度等)凝固过程中的最大铺展因子关系进行了研究。采用VOF对自由表面进行追踪的方法,建立包括对流和相变的计算方程和能量方程的仿真模型,耦合水平集函数,跟踪熔融粒子与周围空气之间的接口,获得的最大传播因子之间的关系,与在文献中出现的实验数据吻合。

关键词：碰撞与铺展金属熔滴碰撞速度基板温度

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不同工艺参数对金属熔滴沉积成形影响

焊接学报 2018年第12期39卷 82-88,132页

作者：刘伟张伟博陕西国防工业职业技术学院机械工程学院西安710300

采用数值计算与试验分析相结合的方法,深入研究了不同工艺参数(沉积距离、扫描速度、熔体温度、基板温度、喷嘴直径等),单颗金属熔滴的沉积、铺展变化,验证了当前模型的正确性.通过对单颗金属熔滴沉积行为的研究,建立了单道/多道水平搭... 详细信息

采用数值计算与试验分析相结合的方法,深入研究了不同工艺参数(沉积距离、扫描速度、熔体温度、基板温度、喷嘴直径等),单颗金属熔滴的沉积、铺展变化,验证了当前模型的正确性.通过对单颗金属熔滴沉积行为的研究,建立了单道/多道水平搭接成形数值计算模型,探索了金属熔滴在小空间、大温度梯度环境下沉积成形中熔体流动、铺展、凝固成形机理,结果表明,在典型特征截面上搭接成形时,通过优化工艺参数,可以获得熔滴沉积中的主要特征因素与成形形貌、内部质量之间的影响规律,为后续复杂金属件的熔滴液流沉积成形提供了技术支持和参考依据.

关键词：金属熔滴水平搭接成形工艺成形形貌内部质量

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锡熔滴撞击金属表面的铺展润湿及飞溅行为

锡熔滴撞击金属表面的铺展润湿及飞溅行为

作者：王明康兰州理工大学

学位级别：硕士

随着工业制造、航空航天、电子、医疗等领域的迅速发展,对材料强度、硬度、耐磨性能、耐腐蚀性能以及高温抗氧化性能都提出了更高的要求。而热喷涂技术和金属熔滴成型技术是实现这些需求必不可少的办法,但这两种技术所存在的缺点归根结... 详细信息

随着工业制造、航空航天、电子、医疗等领域的迅速发展,对材料强度、硬度、耐磨性能、耐腐蚀性能以及高温抗氧化性能都提出了更高的要求。而热喷涂技术和金属熔滴成型技术是实现这些需求必不可少的办法,但这两种技术所存在的缺点归根结底都与单个液滴在基板表面的润湿铺展行为息息相关。本文采用实验方法和模拟方法相结合的方法研究高速锡熔滴撞击铜基板表面的铺展润湿行为和飞溅行为,分析基板温度、熔滴撞击速度、基板表面粗糙度以及金属间化合物等因素对铺展因子和接触角的影响,研究结果对与高速液滴撞击金属表面有关的工艺有重要的理论指导意义,并为金属熔滴撞击金属表面的铺展润湿行为提供了新的理论基础。本文主要研究成果如下:(1)对于锡熔滴撞击低温(低于熔滴熔点)铜基板,其撞击铺展过程可以分为四个阶段:快速铺展、缓慢铺展、振荡和凝固。基板温度会影响熔滴的铺展过程,熔滴的最终铺展因子随温度的升高而增大,但最终接触角受温度的影响不大;熔滴撞击速度的增加会使熔滴铺展过程中的铺展因子和最终铺展因子都增大,而铺展过程中接触角的变化会随着撞击速度的增大而减小,最终接触角则会随着撞击速度的增加先减小后增大;基板的表面粗糙度对整个铺展过程影响不大,但最终铺展因子会随表面粗糙度的增大而缓慢增大,最终接触角随表面粗糙度的增大而先减小后增大。(2)对于锡熔滴撞击高温(高于熔滴熔点)金属基板,当体系为反应润湿体系(锡/铜体系)时,熔滴撞击过程可以被分为快速铺展阶段、回缩阶段、铺展因子稳定阶段和最终稳定阶段这四个阶段;而为非反应润湿体系(锡/不锈钢体系)时,撞击过程则被分为快速铺展、回缩最终稳定阶段这三个阶段。界面IMCs的生成是造成反应润湿体系与非反应润湿体系动态铺展过程不同的主要原因,IMCs几乎不对铺展过程产生影响,而对回缩过程会造成很大的影响,且影响程度也随回缩过程的持续而增大。(3)对非反应润湿体系(锡/不锈钢体系),撞击速度的增大会使得熔滴最大铺展因子增大,最终铺展因子增大,而对接触角的影响不大;基板温度的升高会使得熔滴最大铺展因子增大,最终铺展因子减小,而对接触角的影响也不大;表面粗糙度的增大会使得熔滴最大铺展因子略微增大,最终铺展因子略微减小,接触角则随之减小。(4)当锡熔滴以较高速度撞击铜基板表面时,撞击速度会影响飞溅的剧烈程度,液滴撞击基板的结果随着撞击速度的增大,会从圆盘状伴随飞溅转换为全部碎裂,因此熔滴的有效铺展因子并不能通过提高撞击速度持续增长。而熔滴的接触角随撞击速度的变化并不明显。熔滴撞击基板的结果也会随基板温度的增大,由无飞溅向大量飞溅转变,其有效铺展因子也不会随基板温度升高而持续增大。同时熔滴的接触角受基板温度的影响也不明显。同时较高的基板温度会使得熔滴在震荡凝固阶段更频繁的产生飞溅。(5)从能量守恒角度出发建立了熔滴撞击基板的物理模型,其可以预测熔滴的最大铺展因子和飞溅的指形数,同时也可以用来表述熔滴撞击过程的能量变化。熔滴撞击基板后最开始是由初始动能主导液滴的铺展,之后则由黏性耗散和表面能共同主导,每次熔滴的飞溅都会导致熔滴整体能量的损失。

关键词：熔滴撞击金属熔滴 CLSVOF方法铺展润湿行为飞溅行为

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电磁悬浮精炼金属熔滴热力学分析及试验研究

电磁悬浮精炼金属熔滴热力学分析及试验研究

作者：郑玮昆明理工大学

学位级别：硕士

电磁悬浮精炼技术应用在火法冶金中,其优势主要体现于金属材料可悬浮空中,能够有效地避免高温熔炼金属时坩埚带来的污染源,同时又能够为冶炼过程提供良好的热力学及动力学条件。本研究以硅铁合金及冶金级硅为研究对象,通过其杂质脱除过... 详细信息

电磁悬浮精炼技术应用在火法冶金中,其优势主要体现于金属材料可悬浮空中,能够有效地避免高温熔炼金属时坩埚带来的污染源,同时又能够为冶炼过程提供良好的热力学及动力学条件。本研究以硅铁合金及冶金级硅为研究对象,通过其杂质脱除过程进行热力学及试验研究,旨探讨金属电磁悬浮过程中除杂原理,并为电磁悬浮熔炼技术提供理论参考。本研究采用热力学计算、理论分析并结合相关实验的方法,对电磁悬浮精炼硅铁合金及冶金级硅脱磷过程进行探索。主要研究结果见下:(1)在纯Ar气氛条件下通过电磁悬浮精炼Si-Fe-P三元金属熔滴热力学分析计算表明:精炼温度为1723K-2123K时,硅铁合金及冶金级硅中Si-Fe-P三元系在温度区间内活度发生相应变化。Si的活度会呈现递增的趋势随后趋于平稳,Fe与P的活度与温度呈正相关,并保持递增的趋势。(2)在Ar-H混合气氛条件下电磁悬浮精炼Si-Fe-P三元金属熔滴热力学分析计算表明:在通入不同组分的Ar-H混合气氛时,精炼硅铁合金及冶金级硅过程中存在磷与氢气反应的吉布斯自由能及焓值发生相应变化。金属熔体中的磷的挥发是以P、P两种形式挥发。H通入后会与杂质P反应生成磷氢化合物该过程是放热反应,在高温1723K-2123k时熔滴表面生成的磷氢化合物以PH、PH,PH形式存在。氢气是具有较好导热性能的气体。随着不断通入H,温度降低到1723K以下时PH、PH会转变为PH,最终以PH的形式达到脱磷的效果。(3)通过探索电磁悬浮精炼试验过程中温度及气氛条件,表明不同气氛流量及气氛种类均会对硅铁合金及冶金硅脱磷过程产生影响,其中通过50%Ar-50%H、100%H与100%Ar对比试验结果表明,一定范围内加大气氛流量有利于杂质磷脱除,且硅铁合金及冶金级硅脱磷效果随着H含量增加而显著提高。悬浮精炼温度为1823K时,当通入气氛为100%H,气体流量为1.5L/min时,硅铁合金脱磷率为89.9%,冶金级硅脱磷率为90.3%。

关键词：电磁悬浮精炼金属熔滴热力学计算硅铁合金冶金级硅

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金属熔滴冲击装置的研制

中国劳动防护用品 1994年第2期 7-12页

作者：陈世伦袁一枫滕金山黄贺荣白玉梅

一.目的及意义阻燃防护服国家标准GB8965定义的阻燃防护服是指在直接接触火焰及炽热物件后,能减缓火焰蔓延使衣物炭化形成隔热层,以保护人体的安全与健康使用的防护服。表明阻燃服是防御火焰和炽热物体伤害的防护服。GB8965只规定了防... 详细信息

一.目的及意义阻燃防护服国家标准GB8965定义的阻燃防护服是指在直接接触火焰及炽热物件后,能减缓火焰蔓延使衣物炭化形成隔热层,以保护人体的安全与健康使用的防护服。表明阻燃服是防御火焰和炽热物体伤害的防护服。GB8965只规定了防御火焰性能的检测方法,

关键词：防护服阻燃金属熔滴冲击装置

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防护服抗金属熔滴冲击性能检测装置研制报告

劳动保护科学技术 1997年第4期17卷 3-8页

作者：陈世伦滕金山袁一枫劳动部劳动保护科学研究所

防护服抗金属熔滴冲击性能检测装置研制报告陈世伦，滕金山，袁一枫（劳动部劳动保护科学研究所，北京１０００２９）１概述焊接防护服是焊接（包括熔融切割）作业必须采用的最主要的个人防护装备，我国“焊接防护服”国家标准和行业标... 详细信息

防护服抗金属熔滴冲击性能检测装置研制报告陈世伦，滕金山，袁一枫（劳动部劳动保护科学研究所，北京１０００２９）１概述焊接防护服是焊接（包括熔融切割）作业必须采用的最主要的个人防护装备，我国“焊接防护服”国家标准和行业标准是根据国际标准“ＩＳＯＮ１５５防...

关键词：防护服金属熔滴抗冲击性检测装置

超声波作用下锡滴撞击不同金属表面的铺展及润湿行为

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超声波作用下锡滴撞击不同金属表面的铺展及润湿行为

作者：王锡武山兰州理工大学

学位级别：硕士

随着微滴3D打印、电子封装、金属零件成型、热喷涂、喷射成型等技术的发展,金属液滴与金属基板的碰撞及铺展过程研究成为控制这些工艺过程的关键环节。在不同外场作用下,金属熔滴撞击固体表面的铺展过程中,会经历撞击铺展、熔滴回缩、... 详细信息

随着微滴3D打印、电子封装、金属零件成型、热喷涂、喷射成型等技术的发展,金属液滴与金属基板的碰撞及铺展过程研究成为控制这些工艺过程的关键环节。在不同外场作用下,金属熔滴撞击固体表面的铺展过程中,会经历撞击铺展、熔滴回缩、熔滴飞溅以及熔滴的冷却凝固等一系列复杂的物理过程,涉及复杂的金属液体流动与能量变化过程,因此研究金属熔滴在固体表面撞击铺展的动态行为至关重要。本文以锡熔滴作为研究对象,采用自主搭建的改良型气压驱动熔滴发生装置,将熔融锡滴撞击到铜和不锈钢基板表面,通过高速摄影记录撞击过程,应用图像处理软件测量了不同基板表面上熔滴铺展时直径与固/液接触角随时间的变化,研究了熔滴撞击速度、基板温度、基板表面粗糙度以及附加超声波对锡滴的铺展行为和润湿性的影响,揭示了锡滴在不同表面铺展的差异性,从驱动力角度解释了熔滴铺展性差异产生的主要原因。主要研究成果如下:(1)锡滴撞击速度对液滴铺展面积有显著影响,是所用参数中影响最大的,而且与基板材质无关,不论基板是铜还是不锈钢,锡滴撞击后的最大铺展直径随撞击速度的增加而增大;熔滴速度较低时,锡滴撞击到基板表面完全铺展后熔滴少量回缩,随着熔滴速度的逐渐增加,熔滴完全铺展后的回缩现象随之消失。在不同熔滴撞击速度的影响下,基板润湿性的差异并没有对熔滴在基板表面的铺展润湿行为产生明显影响。(2)基板温度对液滴的铺展过程基本没有影响,但对回缩过程及最终形貌有显著影响。当基体温度低于锡熔点温度时,锡滴在铜和不锈钢基板表面的撞击过程和最终凝固形貌都十分相似。当基体温度高于锡熔点时,在铺展阶段,锡滴在铜和不锈钢表面的铺展因子和前进接触角基本相同;在回缩阶段,锡滴在铜表面的最终铺展因子明显大于在不锈钢表面的最终铺展因子,同时最终接触角也远小于不锈钢表面。(3)基板表面粗糙度在一定的范围内时,锡滴在铜表面的最大铺展直径随粗糙度的减小而逐渐增大,并且在光滑表面熔滴回缩明显,锡滴在铜基板表面比在不锈钢表面的回缩幅度小,在不锈钢表面的最大铺展直径受粗糙度的影响很小,但锡滴的回缩比会随着表面粗糙度的减小而减小。相同条件下,熔滴在润湿性好的表面回缩幅度小。(4)超声波对铺展及回缩过程的影响与基板温度有关。当基板温度低于锡滴熔点时,大部分锡滴在铺展过程中已经凝固,使得超声振动对熔滴铺展的积极影响被削弱,熔滴的最大铺展直径的增加并不明显。当基板温度高于熔滴熔点温度时,熔滴的整个撞击铺展过程最初为熔滴的初始动能驱动的快速铺展阶段,铺展后期为超声振动驱动的缓慢铺展阶段。比较而言,熔滴在超声振动和基板温度的共同作用下,其最大铺展直径的增加尤为显著。超声波的加入改善了熔滴在基板表面的润湿性,使锡滴在铜表面的铺展面积进一步增加。(5)从能量角度对锡滴在不同金属基板表面的铺展行为及润湿现象进行了解释。熔滴铺展前期主要由自身动能驱动其铺展,随着铺展的进行,表面能与粘滞力做功逐渐增加。铺展由线性变化改变为缓慢铺展的状态,此时熔滴的表面张力和粘滞力起主导作用。熔滴达到最大铺展直径后熔滴开始回缩,该阶段表面张力起主导作用。锡滴与铜表面之间的界面能与粘附功比在不锈钢表面高,且锡滴与不锈钢基体的界面不发生反应,导致锡滴在回缩阶段在不锈钢表面的表面能较高。(6)超声波的作用下,熔滴铺展前期仍然是自身动能驱动其铺展。当铺展直径接近最大铺展直径时,超声波的附加能逐渐成为驱动熔滴铺展的关键因素。铺展由快速铺展改变为缓慢铺展的状态,熔滴逐渐达到最大铺展面积,最终熔滴的表面能、界面能与超声波的附加能之间相互平衡此时熔滴铺展结束。

关键词：金属熔滴熔滴撞击超声波熔滴直径接触角

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基于金属3D打印技术成形嵌套零件工艺研究

材料科学与工艺 2016年第6期24卷 1-7页

作者：李素丽魏正英杜军赵光喜王鑫刘伟卢秉恒机械制造系统工程国家重点实验室(西安交通大学) 西安710049

针对传统采用多个零件拼接而成具有悬垂嵌套结构的零件,提出了金属均匀喷射熔滴沉积"双喷头"3D打印成形工艺,开发了金属微喷熔滴沉积成形试验平台,通过对新型支撑材料的配比和成形工艺研究,实现了金属以及支撑材料成形的联动控制,成形... 详细信息

针对传统采用多个零件拼接而成具有悬垂嵌套结构的零件,提出了金属均匀喷射熔滴沉积"双喷头"3D打印成形工艺,开发了金属微喷熔滴沉积成形试验平台,通过对新型支撑材料的配比和成形工艺研究,实现了金属以及支撑材料成形的联动控制,成形出较高精度悬垂嵌套的金属制件,与传统成形工艺相比,具有成形周期短,制造成本低等优点,实现了此类零件的即用即打,此类零件成形提供了实现的途径与条件.

关键词：双喷头悬垂嵌套金属熔滴支撑

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金属沉积成形流固耦合工艺参数

江苏大学学报（自然科学版） 2015年第5期36卷 588-592,597页

作者：李素丽刘伟贾宝勤西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室陕西西安710049 陕西国防工业职业技术学院数控工程学院陕西西安710300

为了研究金属沉积成形中流固耦合过程工艺参数,建立了VOF理论模型,利用该模型对整个熔滴沉积流固耦合过程进行数值模拟.通过变换相关参数,分析了熔滴滴落及在基板壁面上的铺展状态,研究了不同熔滴直径、碰撞速度以及基板温度对变形过程... 详细信息

为了研究金属沉积成形中流固耦合过程工艺参数,建立了VOF理论模型,利用该模型对整个熔滴沉积流固耦合过程进行数值模拟.通过变换相关参数,分析了熔滴滴落及在基板壁面上的铺展状态,研究了不同熔滴直径、碰撞速度以及基板温度对变形过程的影响.结果表明:熔滴在滴落过程中,温度由外层向内部逐渐降低,凝固层加大,而熔滴内部中心处温度基本不变;撞击基板后,熔滴沿着半径向外扩散,水平半径逐渐增大,高度逐渐减小;不同的基板温度所对应熔滴的凝固时间不同,而基板温度越低,熔滴凝固越快;不同直径的液滴在撞击经过预热的基板后,因金属熔滴凝固,体积分数随沉积时间延长而减小,但对铺展时间有影响.

关键词：金属熔滴流固耦合碰撞铺展工艺参数