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激光快速成形技术集计算机辅助设计、高功率激光熔覆、快速成形于一体,通过激光熔化同步输送的金属或陶瓷粉末,在基板上逐层熔化堆积而形成致密的材料或零件.其离散/堆积的成形特点使得该技术在材料及零件制备上具有很大的柔性,通过精确控制2种或多种材料粉末的输送和相应的工艺可以实现材料组成、微观组织结构和性能的梯度分布及多种材料的集成.介绍了激光快速成形的原理、技术特点、系统组成,着重介绍了国内外采用该技术在制备功能梯度材料方面的研究开发情况,简要分析了利用激光快速成形技术制备功能梯度材料的发展前景.

关键词: 激光快速成形 , 功能梯度材料 , 制备

金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟 II. 沉积过程中热应力场的模拟

高士友 , 石力开 , 席明哲 , 纪宏志 , 张永忠 , 杜宝亮

金属学报

建立了按激光光斑直径逐点沉积热力耦合的热应力有限元分析模型. 316L不锈钢直薄壁件沉积过程的热应力模拟结果显示,拉应力区出现在基板与沉积部分界面处(界面拉应力区)和沉积部分顶部(顶部拉应力)；拉应力区的位置随激光束的运动不断变化. 实验证明, 沉积过程中的开裂分别发生在沉积部分顶部(顶部开裂)和基板与沉积部分界面处的边缘部位(边缘开裂). 顶部开裂出现在顶部拉应力区, 边缘开裂出现在界面拉应力区中拉应力最大的边缘部位. 有限元模拟结果很好地解释了实验中的开裂现象.

关键词: 激光直接沉积 , Metallic Vertical thin wall samples , Finite Element Simulation

金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟 Ⅰ. 沉积过程中温度场的模拟

高士友 , 石力开 , 席明哲 , 纪宏志 , 张永忠 , 杜宝亮

金属学报

建立了模拟直薄壁件逐点沉积过程中温度场的有限元模型,用等价导热系数和焓值法处理了固-液耦合热传导问题和固液混合区的焓. 模拟结果真实地反映了沉积316L不锈钢直薄壁件的温度场特征. 通过对模拟结果的分析得出, 在高温阶段(700℃以上)熔池的平均冷却速率达到1000 ℃/s数量级, 在240℃以下的冷却速率仅为10 ℃/s数量级. 基板的温度变化经历温度上升、温度平稳、温度下降3个阶段；在温度下降阶段, 基板中的热传导对熔池冷却速率影响很小. 有限元模拟结果与已有文献的实验测量数据吻合很好.

关键词: 激光直接沉积 , Metallic Vertical thin wall samples , Temperature field

金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟 III. 沉积过程中变形的分析

高士友 , 石力开 , 席明哲 , 纪宏志 , 张永忠 , 杜宝亮

金属学报

利用模拟不锈钢直薄壁件沉积过程中热应力场的计算结果,分析了直薄壁件产生的“圣诞树”台阶和基板的变形特征. 分析结果说明, “圣诞树”台阶产生的原因是激光束扫描路径的起点与终点处温度场特征的不同和熔池温度的差别. 基板的翘曲变形仅产生在基板上有沉积材料的部位, 基板的左、右端部产生刚性位移. 基板端部位移的实验测量与有限元计算结果相符合, 证明了分析温度场和热应力场的有限元模型的正确性.

关键词: 激光直接沉积 , Metallic Vertical thin wall samples , Distortion of substrate

金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟Ⅲ.沉积过程中变形的分析

石力开 , 高士友 , 席明哲 , 纪宏志 , 张永忠 , 杜宝亮

金属学报 doi:10.3321/j.issn:0412-1961.2006.05.003

利用模拟不锈钢直薄壁件沉积过程中热应力场的计算结果,分析了直薄壁件产生的"圣诞树"台阶和基板的变形特征.分析结果说明,"圣诞树"台阶产生的原因是激光束扫描路径的起点与终点处温度场特征的不同和熔池温度的差别.基板的翘曲变形仅产生在基板上有沉积材料的部位,基板的左、右端部产生刚性位移.基板端部位移的实验测量与有限元计算结果相符合,证明了分析温度场和热应力场的有限元模型的正确性.

关键词: 激光直接沉积 , 金属直薄壁件 , 有限元模拟 , 基板变形

金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟Ⅰ.沉积过程中温度场的模拟

石力开 , 高士友 , 席明哲 , 纪宏志 , 张永忠 , 杜宝亮

金属学报 doi:10.3321/j.issn:0412-1961.2006.05.001

建立了模拟直薄壁件逐点沉积过程中温度场的有限元模型,用等价导热系数和焓值法处理了固-液耦合热传导问题和固液混合区的焓.模拟结果真实地反映了沉积316L不锈钢直薄壁件的温度场特征.通过对模拟结果的分析得出,在高温阶段(700℃以上)熔池的平均冷却速率达到103℃/s数量级,在240℃以下的冷却速率仅为10℃/s数量级.基板的温度变化经历温度上升、温度平稳、温度下降3个阶段;在温度下降阶段,基板中的热传导对熔池冷却速率影响很小.有限元模拟结果与已有文献的实验测量数据吻合很好.

关键词: 激光直接沉积 , 金属直薄壁件 , 温度场 , 有限元模拟 , 沉积过程

金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟Ⅱ.沉积过程中热应力场的模拟

石力开 , 高士友 , 席明哲 , 纪宏志 , 张永忠 , 杜宝亮

金属学报 doi:10.3321/j.issn:0412-1961.2006.05.002

建立了按激光光斑直径逐点沉积热力耦合的热应力有限元分析模型.316L不锈钢直薄壁件沉积过程的热应力模拟结果显示,拉应力区出现在基板与沉积部分界面处(界面拉应力区)和沉积部分顶部(顶部拉应力区);拉应力区的位置随激光束的运动不断变化.实验证明,沉积过程中的开裂分别发生在沉积部分顶部(顶部开裂)和基板与沉积部分界面处的边缘部位(边缘开裂).顶部开裂出现在顶部拉应力区,边缘开裂出现在界面拉应力区中拉应力最大的边缘部位.有限元模拟结果很好地解释了实验中的开裂现象.

关键词: 激光直接沉积 , 金属直薄壁件 , 有限元模拟 , 热应力 , 开裂 , 沉积过程