对以恒定的热流熔化合金粉末床的分析.docVIP

对以恒定的热流熔化合金粉末床的分析 摘要 本文对在有选择性的激光焊接 (SLS) 中以恒定的热流来熔化一张合金粉末床的问题进行了分析。 由于合金的熔化在一定温度的范围内发生，而不是在某个熔点，所以将有一个模糊的区域(包含部分已熔化的粉末)在未熔化和已熔化的区域之间。这个区域能进一步被划分为两个部分：（1）下部以恒定的多孔性（收缩发生）；（2）上部以恒定的容量（不发生收缩）。利用一个唯一的略计方法可以得到在不同区域内的温度分布和熔化接口的位置.结果显示增强最初的多孔性和提高粉末床的温度会加速熔化的过程。 随着细胞间的气体导热性的增加，熔化减慢下来。版权所有：2006年 Elsevier 有限公司。 1. 介绍 直接金属激光焊接 (DMLS) 是快速成型/制造技术，它可通过金属粉末的熔化和再凝固直接制造零件 [1-5 ]。目前,在熔化和凝固过程中热传递的根本性已被集中研究了,并且是有大量文件证明的[6-8] 。 Carslaw 和Jaeger [9] 运用恒定的热物理理论讨论了一个半无限身体的熔化，并且获得了Dirichlet 边界条件的一种分析解答。Lax [10] 研究了在一个稳定情况下由于在一个半无限圆柱形媒介内一条固定式高斯光束引起的温度上升。 Bell[11]为在大范围激光脉冲周期和吸收系数的激光退火开发了一个一维热量模型。 Yilbas[12]为一个搏动的二氧化碳激光热化过程提出了数值解。 Rostaml 和 Raisi[13] 数字上解决了一个半无限体由于一个移动的激光热源引起的温度分布和熔池大小问题。 kim和 Sim[14] 研究了在激光表面热化合金期间合金的热量行为和流体流动性。 Iwamoto 等人[15] 利用脉冲调制的激光热化执行了对能量转移和金属表面修正的数据分析。 当上述研究集中于长脉冲激光材料的交互作用时，在超短波的激光处理金属片期间的相变热传递也[16,17]被研究了 。在由激光辅助记忆制造时，Hsiao等人在数字上对模子和基体之间的热量接触电阻进行了研究。[18]. 在 DMLS 过程期间，随着在熔化以后多孔性变得几乎为零，粉末床收缩。一些研究人员对固态液体相变过程期间这种收缩的作用进行了研究。埃克特和德雷克[19] 在相变上考虑密度的变化，获得了一个一维固体化问题的相似性解答。 张和 Faghri[20] 分析解决了在第二种类边界条件下包含粉末混合物的粉末床的一个一维熔化的问题。 结果显示，收缩作用对熔化粉末床并不是微不足道的。对受当时的高斯热流影响的二个成分的金属粉末床的熔化和再凝固，Konrad 等人 [21]获得了一种分析解答。肖和张[22] 分析解决了在 SLS 过程中一个低温冷却过的单一组分金属粉末床的快速熔化问题。在脉冲的激光辐照区域之内，粉末微粒的表面最先溶解，此时微粒的核心仍旧是固体的。在唯一组分金属粉末 的SLS 过程中的熔化是发生在一个温度范围内且有重大的密度变化的熔化的一个典型。 术语 c 比热(J/kg K) f 固体质量分数 f 0 热化表面的固体质量分数 hs 熔化潜热(J/kg) k 导热率(W/m K) K 无量纲导热率 粉末床吸收的热通流(W/m2) s0 受热面的位置(m) sm 糊状区域上下两部分之间的分界面位置 (m) s 液体和糊状区域之间的分界面位置 (m) s 固体和糊状区域之间的分界面位置(m) S0 无量纲受热面的位置 Sm 无量纲糊状区域上下两部分之间的分界面位置 S 无量纲液体和糊状区域之间的分界面位置 S 无量纲固体和糊状区域之间的分界面位置 Ti 粉末床的初始温度 T 温度(K) Tm 液化线温度 (K) Tsm 固化线温度 (K) t 时间 (s) V 体积 (m3) w 缩速率 (m/s) W 无量纲收缩速率 z 纵坐标 (m) Z 无量纲纵坐标 希腊字母 α 热扩散系数(m2 s) α0 计算粉末床的热传导率时的加权平均数 δ 在金属粉末中热量的有效透入深度(m) δθ 无量纲的熔化温度范围 θ 无量纲温度 无量纲的热量有效透入深度(m) 多孔性 (孔隙所占的体积分数), (Vg + V)/(Vg + V+ Vs) 密度(kg/m3) 无量纲时间 g 气体的体积分数, Vg/(Vg + V+ Vs) 液体的体积分数, V/(Vg + V+ Vs) s 固体的体积分数, Vs/(Vg + V+ Vs) 下标 0 表面 eff