激光立体成形过程中沉积层生长的稳定性研究

本项目针对在航空航天等高技术领域具有重要应用前景的激光立体成形技术展开研究，重点研究该技术所涉及的沉积层形成机制，工艺条件扰动下沉积层生长波动的产生及演化以及沉积层生长的稳定性控制。基于粉末流输送特性实验测量的研究基础，建立粉末流的稳态分析模型；采用瞬态动量-质量守恒方法，建立粉末颗粒在液态高温熔池中熔化-运动的数学模型，获得运动激光熔池捕获粉末颗粒的临界条件，在此基础上建立粉末流与移动熔池耦合的稳态沉积层生长模型，揭示沉积层形成机制。通过引入扰动函数描述扰动条件，建立扰动条件下的沉积层生长模型，研究工艺条件扰动下沉积层生长波动的产生及演化规律,揭示沉积层生长自适应调整的稳定机制以及工艺参数对沉积过程稳定性的影响。提出具有强抗扰动能力的沉积层稳定生长工艺匹配原则，为实现激光立体成形过程的高质量、稳定进行以及几何性能控制，拓展激光立体成形在高技术领域的应用奠定科学基础。

激光立体成形技术是一项先进的增材制造技术，具有广阔的应用前景。然而，随着工程应用领域技术要求的不断提高，优化工艺和改善成形精度成为了技术进一步应用的关键。成形过程中沉积层生长稳定性一直是影响成形工艺性和成形精度的重要因素。本项目针对沉积层生长稳定性展开研究，重点研究该技术所涉及的沉积层形成机制，工艺条件扰动下沉积层生长波动的产生及演化以及沉积层生长的稳定性控制。研究工作取得的主要成果包括：.1) 建立了四路同轴粉末输送过程的数学模型，实现了对粉末流的数学描述，获得了粉末流的输送特性(包括粉末颗粒的运动速度、粉末流质量浓度分布等)；.2) 建立了激光熔池与粉末颗粒的作用模型，提出了熔池对粉末颗粒的捕获条件。结果表明，粉末颗粒尺寸越小，粉末颗粒运动速度越慢，熔池深度越深，粉末颗粒越容易被激光熔池捕获；.3) 建立了粉末颗粒与熔池耦合形成沉积层的过程模型，揭示了成形工艺参数对沉积层几何性能的影响。研究表明：喷嘴出口平面与基材表面距离决定了作用于基体表面的粉末流颗粒质量浓度分布的变化，并影响最终沉积层的几何尺寸。研究发现，由于粉末浓度在距离上的变化沉积过程粉末流与熔池耦合系统的具有自我修正能力，进一步获得了预设与实际层高匹配关系下的稳定机制；.4) 揭示了工艺条件扰动下成形特性及沉积层生长演化行为。结果表明：粉末流周期性脉动幅度越大，沉积轮廓起伏越严重；粉末流脉动频率越大，沉积高度轮廓波动频率越大，但波动幅度相应减小；基体波动幅度越大，沉积层愈合的越慢，所需层数越多，幅度过大将超出愈合能力；基体波动频率越大，基体局部斜率越大，熔池铺展作用明显，沉积层生长越容易愈合形成均匀稳定的轮廓；.5) 揭示了基体波动条件下沉积层生长失稳/收敛产生原因以及系统自调整的稳定机制。结果表明：波动表面沉积失稳/收敛趋势是粉末流质量浓度分布与激光熔池尺寸的耦合效果引起。基体波动条件下的稳定机制如下：a.在一定的波动幅值范围内，基体最低处沉积厚度大于或等于预设层厚；b.倾斜表面熔池铺展作用决定表面起伏频率时的沉积稳定性。.6) 为保证沉积过程的稳定性，成形过程工艺优化的目标应使得所有部位沉积层高度略大于或等于层高预设值，避免各工艺参数低频扰动； .以上项目研究成果将为实现激光立体成形过程的稳定进行以及几何性能控制，拓展激光立体成形技术的应用奠定科学基础。.