激光增材制造微观结构模拟与力学性能预测

提出一种考虑粒子数量的激光增材制造热源模型,模拟同轴送粉激光熔覆增材制造过程中的温度变化历史,通过与试验数据对比验证所提出新型热源的有效性。基于Monte Carlo方法发展一种新型多尺度计算模型以模拟双相钛合金增材制造过程中的相变和晶粒变化,采用有限元模型重构Monte Carlo模型所得到的微观结构模型,通过算例对比验证基于微观结构形貌的有限元模型对于双相钛合金力学性能预测的准确性,并进一步计算分析激光增材制造构件的流动应力。计算结果发现,采用考虑粒子数量的热源模型,可以更好地模拟增材制造热过程,增材过程中各层出现不同程度的重熔及重加热过程。微观结构计算结果表明,对增材制造过程微观结构的多尺度模拟是有效的,且可以较好地计算两相钛合金增材制造过程中的晶粒体分比变化及形貌。在对重构Monte Carlo模型计算所得微观结构进行力学性能测试中发现,计算所得流动应力均能较好地反映两相钛合金力学性能变化规律。

不同铝合金搅拌摩擦焊搅拌头磨损的数值模拟

基于Deform-3D有限元软件建立Al2024、Al5052、Al6061三种铝合金的搅拌摩擦焊接热力耦合模型,分析了搅拌摩擦焊中的温度、搅拌头受力和磨损情况。结果表明,不同铝合金搅拌摩擦焊接时,搅拌头磨损速度不同。Al6061铝合金对搅拌头磨损速度最快,Al5052铝合金对搅拌头磨损速率其次,Al2024铝合金对搅拌头磨损速度最慢;搅拌头的适当磨损会使搅拌头形状改变,使其寿命增加。

搅拌摩擦焊中不同搅拌头形状对搅拌头疲劳与损伤影响的数值模拟

基于DEFORM-3D有限元软件,建立了圆形、三角形、正方形等不同形状搅拌针搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合模型。结果显示,搅拌针形状对摩擦焊接的温度影响不大,但是对于工件材料流动性有明显影响,不同形状搅拌针会产生不同的流动速度场。三角形搅拌针的流速场最快,正方形次之,圆形搅拌针最慢,从而可以得到不同质量的焊缝。不同形状的搅拌头在不同焊接阶段受力的大小关系也不同,从而使搅拌头的疲劳寿命会有差别,在相同工况下,三角形搅拌针寿命最短,正方形搅拌针次之,圆形搅拌针寿命最长。

搅拌摩擦焊接Ti-6Al-4V钛合金晶粒生长的数值模拟

基于DEFORM-3D有限元软件建立Ti-6Al-4V钛合金工件的搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合模型,提取工件温度场基于蒙特卡洛法模拟焊后工件截面的晶粒尺寸及各相体积分数的分布规律。搅拌区晶粒受摩擦搅拌作用破碎至细小晶粒为初始生长状态。结果表明:热影响区晶粒在母材尺寸上继续生长,Ti-6Al-4V钛合金不发生相变;搅拌区温度升高时晶粒会转变为β相,下降时会在β相晶粒边界析出α相,且α相粒子向β相粒子内部生长并长大,较高冷却速度下α相向β相晶粒内部生长为针状。

单面双轴肩搅拌摩擦焊接的数值模拟

基于任意拉格朗日欧拉网格技术建立了单面双轴肩和传统单面单轴肩搅拌摩擦焊接的数值模型,与通过Zener-Hollomon参数的晶粒预测模型结合,利用基于对数应变的等效应变率和截面峰值温度,计算了两种搅拌头作用下的焊缝截面晶粒尺寸。通过与试验数据和试验规律的对比,验证了模型的有效性。与传统单面单轴肩搅拌摩擦焊接过程的对比发现,采用单面双轴肩搅拌头,相同工况下平均晶粒尺寸下降,细晶有利于强化,因此,采用单面双轴肩搅拌头有利于得到性能更好的接头;采用单面双轴肩搅拌头,相同工况下平均晶粒尺寸的标准差减小,说明采用单面双轴肩搅拌头可以进一步提高焊缝截面不同部分的力学性能的均匀性。

搅拌摩擦增材制造的微观结构-力学性能一体化数值模拟

搅拌摩擦增材制造技术是在搅拌摩擦焊接的基础上发展起来的一种新型固态增材制造技术。针对搅拌摩擦增材制造技术中的重新搅拌和重新加热问题,采用试验和数据方法进行分析,通过Monte Carlo模型计算微观结构演化,通过析出相演化模型计算析出相分布,并进一步计算不同增材层之间的硬度分布,通过与试验测量数据的比较验证了模型的正确性。结果显示,不同增材层之间的晶粒大小和形貌由于重搅拌和重加热的作用而存在差异,同时,温度曲线的变化使粒子数和平均半径发生变化,进而导致力学性能出现差异。在试验验证的基础上,通过数值模拟解释了差异产生的具体机理。

Ti-6Al-4V在搅拌摩擦增材中晶粒生长的数值模拟

搅拌摩擦增材制造(FSAM)是近几年新兴的一种制造方法,优点在于工件生产后的较好的力学性能。搅拌摩擦增材制造按照增材方向和焊缝位置不同分为纵向增材和横向增材。本文基于Abaqus生死单元法和移动热源法建立两种搅拌摩擦增材制造有限元模型,研究两种不同方式增材的温度分布。利用蒙特卡洛法研究钛合金在搅拌摩擦增材制造中微观结构演变。研究表明,搅拌区晶粒在降温及后续增材层累加的时候进行粗化,并在一定温度区间内进行由β相到α相的转变。α相由β相边界析出并以针状晶的形式向β相晶粒内部生长,研究结果与文献中晶粒分布规律相符,验证了模型用于Ti-6Al-4V搅拌摩擦增材制造中微观结构演变的可行性。

化学成分对Al-Mg-Si系铝合金搅拌摩擦增材制造力学性能的影响

采用试验和数值模拟相结合的方法,研究了化学成分对铝合金搅拌摩擦增材制造力学性能的影响。利用Monte Carlo方法模拟了搅拌摩擦增材制造构件的晶粒演变,采用析出相演化模型计算了不同增材层的屈服强度和硬度,通过与试验对比验证了计算模型的有效性。结果显示,在搅拌摩擦增材制造中,不同增材层经历的重搅拌及重加热不同,其作用区域与搅拌针长度相关,且硬度及平均晶粒尺寸也存在一定的差异。通过改变增材方向上不同增材层中Mg和Si元素的化学成分,可以实现增材方向上力学性能的渐变控制。

合金成分变化对搅拌摩擦焊接力学性能的影响

建立搅拌摩擦焊接的移动热源模型和析出相演化计算模型,采用数值模拟方法计算在搅拌摩擦焊接过程中析出相的变化、焊后力学性能,以及不同铝合金成分变化时,对搅拌摩擦焊接构件力学性能的影响,并与试验相比验证模型的正确性。结果表明:根据析出相演化将5种铝合金分为两类,相同位置处AA6005、AA6063、AA6060的平均粒子半径大小接近,而AA6061、AA6082的平均半径相似;两组铝合金相比,平均粒子半径以及粒子数有明显差异,对硬度值产生明显影响;随着与焊缝中心线的距离增加,5种合金的平均粒子半径间的差值逐渐缩小,由于AA6061和AA6082的粒子数较大,导致与AA6005、AA6063、AA6060的硬度值存在明显差异。

基于微观结构-力学行为一体化计算的搅拌摩擦焊接数值模拟

采用Monte Carlo模型对6005A-T6铝合金在不同焊接速度下接头位置焊核区晶粒生长进行模拟。在此基础上,建立了不同焊接速度下的晶体塑性力学模型,对不同焊速下焊核区的力学行为进行预测,并将屈服强度预测值与文献试验值进行对比,验证了本方法的有效性。通过Monte Carlo和晶体塑性力学模型,建立了搅拌摩擦焊接微观结构-力学行为的一体化数值模拟计算方法,计算结果表明屈服强度最高时内部晶粒的变形更加均匀,应力分布的均匀性最好。并分析了多晶体内部滑移系的开动情况对Mises应力、剪切应力和剪切应变产生的影响,以及不同焊速下焊核区的累积剪应变对裂纹萌生位置的影响。

搅拌摩擦焊接中搅拌头自优化机理

基于网格重剖分技术建立了6061铝合金工件的搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合模型。利用Archard公式计算搅拌头的磨损量,提取工件温度场和应变率基于蒙特卡洛法模拟焊后工件截面的再结晶晶粒尺寸及分布规律。研究发现,随着搅拌头磨损程度的增加,搅拌头受力减小,提高了搅拌头的服役寿命,同时应变率随搅拌头磨损量的增加而增加,使再结晶形核率增加,并使搅拌区内晶粒更加细小,适当的磨损对搅拌头服役和焊接质量均有一定程度的优化。过量磨损则会导致焊缝质量下降。

声子晶体增材制造的研究进展

声子晶体是一种超材料,通过人工设计的结构单胞可以形成周期性结构阵列,实现从Hz到THz频率范围内波的调谐和控制,在工业领域具有良好的应用前景。通过声子晶体实现波的负折射、负反射、自准直等现象的定量控制需要设计具有复杂结构的声子晶体单胞,而增材制造为这种声子晶体提供了制备技术。文中回顾了声子晶体的发展和工业应用、声子晶体的增材制造技术及制造中面临的问题,探讨了增材制造工艺参数和声子晶体服役性能之间的关联性。通过相场法模拟了工艺参数对熔池凝固的影响,采用搅拌摩擦增材制造制备了声子晶体单胞,比较了加工工艺所导致的结构变形对声子晶体带隙特性的影响。研究表明,增材制造工艺会影响所制备声子晶体结构中材料的微观结构、力学性能、密度和结构变形等,从而使声子晶体的服役性能与理论设计出现偏差,对增材制造工艺的控形与控性有助于量化控制所制备声子晶体的服役性能和带隙特性。

铝合金搅拌摩擦搭接焊温度-再结晶-析出相-力学性能一体化数值模拟

采用移动热源模型计算铝合金搅拌摩擦搭接焊工艺过程的温度场,结合析出相演化模型计算焊接工艺过程中的析出相平均半径和体分比。通过析出相演化模型计算得到的析出相体分比与MonteCarlo模型结合,计算搅拌区内考虑析出相作用的再结晶行为,得到的晶粒形貌在有限元重构,用于晶体塑性力学计算模型,预测搅拌区内材料的力学性能,从而建立铝合金搅拌摩擦搭接焊温度-再结晶-析出相-力学性能的一体化计算模型,对所模拟的三种搭接焊工况进行同样工艺条件下的试验,通过试验和数值模型的对比验证了所提出的一体化计算模型的有效性。