分析熔于一冷雙組分金屬粉末層與恒熱流外文文獻翻譯、中英文翻譯

分析熔于一冷雙組分金屬粉末層與恒熱流外文文獻翻譯、中英文翻譯,分析,一冷雙,組分,金屬粉末,熱流,外文,文獻,翻譯,中英文 分析熔于一冷雙組分金屬粉末層與恒熱流 美國，MO65211，哥倫比亞州，哥倫比亞大學(xué)，機械與航天工程系 陳鐵兵,張鈺 2005年2月1日收到，2005年7月18日接受，2005年10月11日在網(wǎng)上發(fā)表 摘要： 熔煉一冷雙組分金屬粉末層進行調(diào)查分析. 粉末床考慮的是一個混合兩種金屬粉末的顯著不同的熔點. 收縮所致熔化,是考慮到在物理模型. 溫度分布在液體及固體階段得到利用精確解與積分近似解, 分別. 影響孔隙率,斯特凡數(shù)目,而冷的表面溫度和固液界面也進行了研究. 目前的工作提供了強有力的基礎(chǔ),對復(fù)雜的立體選擇性激光燒結(jié)( SLS )過程可以 基礎(chǔ). 2005 Elsevier公司有限公司保留所有權(quán)利. 關(guān)鍵詞:熔化; 金屬; 粉層 1. 說明 直接有選擇性的激光 焊接(SLS) 是涌現(xiàn)堅實自由格式制造技術(shù)(SFF) 通過哪3-D 分開被修造從基于金屬的粉末床以CAD 數(shù)據(jù)[ 1 ] 。被制造的層數(shù)被創(chuàng)造有選擇性地熔化粉末的薄層以掃描激光束。在焊接層數(shù)以后, 新層數(shù)粉末被放置得相似和3-D 部份可能被建立在層數(shù)由層數(shù)過程。 一張混雜的金屬粉末床, 包含二型金屬粉末擁有顯著不同熔點, 廣泛地被使用在金屬直接SLS 粉末[ 2,3 ] 。高熔點粉末從未融解在焊接過程和戲劇中一個重大角色作為支持結(jié)構(gòu)必要避免"煮沸的" 現(xiàn)象, 哪些是球形的形成與近似激光束的直徑。材料分析特殊物質(zhì)物產(chǎn)和方法基于金屬的粉末系統(tǒng)為SLS 應(yīng)用由Storch 等[ 4 ] 并且Tolochko 等演講。 [ 5 ] 。根本問題在直接SLS 周到地被回顧由Lu 等[ 6 ] 。在近的充分的密度的制造對象從金屬粉末, 直接SLS 體會通過熔化和resolidification 被被指揮的激光 導(dǎo)致射線。這是一個好起點調(diào)查被簡化 1-D 模型得到更好的理解對熔化處理在直接SLS 在一更加復(fù)雜之前 3-D 模型被調(diào)查。 基本熔化和凝固已廣泛調(diào)查和詳細的評語可參。 [7.8]。熔化燒結(jié)的金屬粉末,是明顯不同于正常熔煉由于體積分數(shù)的 天然氣在粉末明顯降低后熔化. 因此,有相當密度的變化粉末床伴隨熔化過程.熔化和凝固一維半無限體密度變化下的邊界條件,對第一類已由zckert和德雷克[9] ,Crank[10] ,并卡斯勞Legates的[11]和charach和zarmi [12]. 命名： cp 比熱 (J kg
1 K
1) hsl 潛熱融化或凝固(J kg
1) k 導(dǎo)熱 (W m
1 K
1) Kg 因次氣體導(dǎo)熱 Ks 因次有效導(dǎo)熱燒粉 q00 熱流 (W m
2) s 固液界面位置 (m) S 量綱固液界面位置 s0 位置液面 (m) S0 因次液面位置 Sc 冷參數(shù) Ste 斯特凡人數(shù) t 時間(s) T 溫度 (K) w 速度液相 (m s
1) W 量綱流速的液相 z 坐標 (m) Z 因次坐標 希臘符號 α熱擴散(m2 s
1) · 量綱熱擴散 β 參數(shù)區(qū)分兩種情況下熔化 δ 熱穿透深度 (m) Δ 因次熱穿透深度 ε 體積氣體(安) (孔隙燒粉) θ因次溫度 ρ密度(kg m
3) τ 因次時間 φ 體積低熔點粉末粉末混合物 標 g 燃氣 i 初次 l 液相 m 熔點 p 制件 s 燒固(混合兩種固體粉末) 應(yīng)當指出,在熔化補充下發(fā)生的邊界條件指定熱流而不指明 溫度. 古德曼和Shea [13]研究熔化和凝固的有限板在指定的熱流用 熱平衡積分法. 張等. [14]調(diào)查熔化問題,一冷了半地區(qū)遭受恒熱流加熱. 張等. 〔15〕解決熔煉有限板的邊界條件中的第二類用一個半確切方法. 收縮形成的,由于密度變化,在凝固過程二維腔數(shù)值金泳三和RO 〔16〕,他的結(jié)論是密度變化發(fā)揮著越來越重要的作用比對流的凝固過程. 張和Faghri[17]求解了潰壩熔化問題,在一個半無限雙組份金屬粉末床受到一 不斷加熱熱流. 影響孔隙率的固體階段,初步阻力參數(shù)和量綱導(dǎo)熱氣體的影響. 由于補充了金屬粉末其實是一個逐層過程中, 因此,有必要對熔融混合金屬粉末床的厚度有限,在補充的過程. 本文 熔化的混合粉末床有限厚度遭受不斷加熱熱流將予以追究. 2. 物理模型 物理模型的熔化問題是列圖. 1 . 粉末床有限厚度含有兩種金屬粉末的顯著不同的熔點. 起始溫度粉末床下面,我的熔點低熔點粉末. 在時間t = 0 ,一恒熱流, q00 , 突然適用于頂面粉床 和底部表面的粉末床假定為絕熱. 由于起始溫度粉末床低于熔點的低熔點粉末 其熔化不同時開始,加上熱供暖.只有經(jīng)過一定時間的預(yù)熱, 在它的表面溫度粉末達到熔點低熔點粉末 將熔化的開始. 粉末與高熔點永遠融化在整個過程中. 因此,這個問題可以分為兩個問題:一個是熱傳導(dǎo)預(yù)熱期間和其他被熔化. 物理模型被視為一個傳導(dǎo)控制問題. 在自然對流效應(yīng)液體地區(qū)由于溫差不考慮由于溫度 最高的是在液體表面并隨宜 2.1.時間預(yù)熱 預(yù)熱期間,純傳導(dǎo)傳熱發(fā)生在粉末混合物. 理事方程以及相應(yīng)的初始和邊界條件的預(yù)熱問題 2.2. 熔化 熔化后開始,在液相方面的理事方程： 其中W是速度液體表面所誘發(fā)的收縮. 因為液體是不可壓縮的收縮速度西經(jīng) Eq. (5) 是受到以下邊界條件： 理事方程式為固相,其相應(yīng)的邊界條件 溫度在固液界面滿意 能量平衡，在固液界面 基于質(zhì)量守恒定律,在固液界面上的收縮速度, W時,固液界面速度,副/藥物療法, 有以下關(guān)系[17] : 2.3 . 非維管方程 確定了以下無量綱變量: 非維管方程以及相應(yīng)的初始和邊界條件的預(yù)熱問題,成為 熔化,非維方程和相應(yīng)的邊界條件 3. 近似解 當頂面的混合金屬粉末床受到恒定磁場加熱, 熱流將穿透的頂面,并進行向下的底部表面. 深度上的熱流滲透到瞬間的時間定義為熱穿透深度, 以后,便再沒有熱傳導(dǎo). 古德曼和Shea [13]引入一個參數(shù), ， 分類兩宗熔煉有限板. 當β是大于1 頂部表面溫度達到熔點在較短的時間比熱穿透深度到達底部 表面上顯示一個較短的預(yù)熱時間. 如果β小于1 , 表面溫度仍低于熔點時,熱穿透深度已達底部表面. 預(yù)熱持續(xù)到頂部表面溫度達到熔點低熔點粉末. 參數(shù)β也可以用表示因次參數(shù)定義的情商. ( 13 ) ,即 由此可以看到,價值β是由四個基本無量綱參數(shù):斯特凡數(shù)Ste, 冷資深參數(shù)Sc,有效導(dǎo)熱系數(shù)的固相KS和體積分數(shù)氣體ES在固相. 預(yù)熱和熔煉兩個二" 1和β " > 1將得到討論 FIG.3 . 影響孔隙的液相表面溫度(專題= 0.02 ) 3.1.1 預(yù)熱 3.1.1. β< 1 熱平衡缺一不可的方法[ 18,19 ] 被使用這里。集成熱傳導(dǎo)Eq 。(14) 以尊敬對Z 從0 對D, 積分方程被獲得。 hs(Z, s) 被承擔(dān)是第二程度多項式滿足邊界條件被指定的作用由Eqs 。(16)-(18) 。然后hs(Z, s) 可能是堅定的 Eqs 。(16)-(18) 并且(28) 可能被替代入 Eq 。(27) 和然后普通的微分方程為熱量滲透深度,Δ, 被獲得能容易地被解決。 當熱量滲透深度到達底部表面, 即, Δ = 1, 溫度發(fā)行在粉末床是 圖4. 多孔性的作用在液體階段在表面溫度(Ste =0.15) 。 哪些成為下個階段的最初的情況預(yù)熱。在上升暖流滲透深度伸手可及的距離以后底部, 問題成為傳導(dǎo)問題在一塊有限平板。有些類似于那描述了早先, 粉末的溫度是 預(yù)熱時間, sm, 可能由設(shè)置獲得 hs(0, s) = 0 在Eq 。(34), 即, T溫度發(fā)行在s = sm 被給 哪些是最初的情況為熔化。 3.1.2. β> 1 當β是大于1, 熔化開始在之前滲透深度到達底部和因此, 預(yù)熱時間, sm, 對應(yīng)的熱量滲透深度、Dm, 和溫度發(fā)行在時間sm 是[ 17] 那里Eq 。(38) 是表面溫度在上面粉末床。 熔化的解答 溫度發(fā)行在液體 熔化開始當表面溫度粉末床到達低熔化的熔點點粉末。液體層數(shù)被形成作為結(jié)果熔化, 溫度發(fā)行不取決于Δ 的價值。它可能是由Eqs 的一種確切的解答獲得。(19)-(21) 并且 (24) [ 17 ], 即。 那里S0 是液體表面的無維的地點。 3.2.2. 溫度發(fā)行在固體(β < 1) 熱漲潮擊穿了整個粉末床在熔化的開始之前。缺一不可的近似解答罐頭并且被使用獲得溫度發(fā)行在固相。集成的Eq 。(22) 與尊敬對Z 在間隔時間(S, 1), 你可能獲得 然后溫度發(fā)行在固相能被獲得 替代Eq 。(40) 入Eq 。(39), 一個普通的差別等式關(guān)于a 被獲得 固液 接口的地點可能被獲得由替代的Eqs 。(38) 和(40) 入Eq 。(25), 即, Eqs 。(40)-(42) 能由Runge-Kutta 解決方法。 3.2.3. 溫度發(fā)行在固體(β > 1) 熔化開始在熱漲潮到達底部之前粉末床, 如此問題熔化半無限二組分粉末床。解答為熔化一張無限粉末床包含a 二粒金屬粉末混合物由張[ 17 ] 獲得了。溫度發(fā)行在液體階段由Eq 測量。(38) 。度發(fā)行在堅實區(qū)域被獲得由[ 17 ], 堅實液體接口的地點并且被獲得由[ 17 ], 熱量滲透深度滿足等式 在那時候熱量滲透深度到達底下表面, 即, D = 1, 溫度發(fā)行在固體是 圖5. 多孔性的作用在液體階段在液體表面和液體堅實接口的地點(Ste = 0.02) 。 熱量滲透深度到達對的時間底部, τΔ=1, 被獲得從 當τ > τΔ=1, 問題成為熔化在有限平板。溫度發(fā)行在固體, hs(Z, s), 并且液體堅實接口地點, S 可能被獲得由解決的Eqs 。(22)-(24) 使用積分式近似方法相同與β < 事例; 1. 4.結(jié)果和討論 分析解答的檢驗是由舉辦結(jié)果與數(shù)字比較結(jié)果被獲得從陳和張[ 20 ], 調(diào)查二維熔化和resolidification 二組分金屬粉末層數(shù)在SLS 過程中服從對移動的激光束。為了使用二維代碼在Ref 。[ 20 ] 解決熔化在粉末層數(shù)服從了對恒定的熱漲潮, 高斯激光束由恒定的熱化替換了熱漲潮在整個粉末床的上面和 激光 掃描速度調(diào)整到零數(shù)字解答。參量被使用在本論文是轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的參量在Ref 。[ 20 ] 為代碼檢驗的目的。比較液體表面和液體的瞬間地點堅實接口由分析和數(shù)字獲得解答被顯示在圖2 。它能被看見預(yù)熱時間由分析獲得和數(shù)字解答幾乎是相同。地點液體表面和液體堅實接口被獲得分析和數(shù)字解答行動在非常相似趨向。它采取完全地熔化整個的時間粉末層數(shù)被獲得從分析解答是大約4% 長比那被獲得從數(shù)字解答。 多孔性, 冷資深 的作用, 無維導(dǎo)熱性和Stefan 編號在表面液體表面的溫度、地點, 和地點粉末床的固液 接口將被調(diào)查。圖3 展示怎么表面溫度被多孔性影響在液體階段為Ste = 0.02 和幾個不同的冷資深 的參量。收縮的作用由固定隔絕冷資深 參量, 固相的多孔性, 和無維的導(dǎo)熱性。它能被看見那表面溫度增加當多孔性在液體階段增量。這是因為有效的上升暖流傳導(dǎo)性減少隨著容量分數(shù)的增加氣體。當Sc = 0.1, 預(yù)熱時間是更短的與比較當Sc = 3.0 。作用收縮在表面溫度為Ste = 0.15 被顯示在圖4 。如同我們能看, 多孔性增量液體階段導(dǎo)致更高的表面溫度并且更加高級的Sc 要求更長的預(yù)熱時間。當Sc = 3.0, 你可能觀察期間熔化的過程顯著被變短當 Ste 增量從0.02 到0.15 。圖5 顯示地點 固液 接口和液體表面對應(yīng)對圖3 的條件。堅實液體接口快速地行動當更多氣體被駕駛從液體。因而斷定對應(yīng)的地點液體表面移動向下重大由于混雜的金屬粉末床的收縮。 固液 接口和液體的地點浮出水面對應(yīng)于圖4 的條件被顯示在圖6 。多孔性減退在液體階段并且加速固液 接口的行動和液體表面向下。 圖7 顯示最初冷資深 的作用表面溫度為Ste = 0.02 。它能被看見預(yù)熱時間增加當冷資深 參量, Sc, 被增加從0.1 到0.5 。同樣趨向被觀察當Sc 增加從1.0 到3.0 。最初冷資深 的作用在表面溫度為Ste = 0.15 被顯示在圖8 。比較對事例Ste = 0.02, 預(yù)熱時期為 Ste = 0.15 顯著被變短。同時, 預(yù)熱時間為Ste = 0.15 增量當Sc 被增加從1.0 到3.0 。無花果。7(a) 和8(a) 表明更低的液體表面溫度可能被獲得如果更大的最初的冷資深 的價值被使用; 但是, 這些變動不是明顯的從無花果。7(b) 和 8(b) 。 圖9 顯示固液 接口的地點并且液體表面對應(yīng)于條件圖7 。它能被看見在圖9(a), 存在更加了不起的最初冷資深 減少移動的速度 固液 接口堅固。在之前熱量滲透深度到達底部, 固液 接口寧可慢慢地行動, 液體堅實接口快速地行動在上升暖流以后滲透深度到達了底部。在a 更高的冷資深 的參量, 熔化發(fā)生在之后熱量滲透深度到達了底部依照被顯示在圖9(b) 。這些現(xiàn)象的原因是那預(yù)熱帶來平均溫度整個粉末床非常緊挨低熔化的粉末的熔點以便熔化的過程能非常迅速進行。關(guān)系在之間 固液 接口和液體表面, 然而, 只是同樣為所有冷資深 的參量從它依靠氣體的容量分數(shù)在固體并且液體階段(參見Eq 。(26)) 。地點 固液 接口和液體表面對應(yīng)對圖的條件8 并且被密謀在圖10 。一個相似的趨向可能并且被觀察在圖9 。 為了防止燒結(jié)部分氧化的空氣,蘇等. [21]使用氬氣作為保護氣體的粉床. 相比空氣,有因次導(dǎo)熱Kg=3.7 氬具有更低因次導(dǎo)熱對Kg=2.5 . 表面溫度不同量綱導(dǎo)熱系數(shù)在不同的訪問是顯示圖. 11 . 可以看出,預(yù)熱時間隨導(dǎo)熱性的氣體,是減少兩 訪問值分別為0.02和0.15 . 但是,兩者的表面溫度不同的氣體是微不足道. 效果因次導(dǎo)熱性的氣體對所在地的固液界面和液體 面及相應(yīng)條件的無花果. 11列圖. 12 . 當訪問 Ste= 0.02速度的固液界面增加時,氬氣作為保護氣體. 當Ste= 0.15 , 速度的固液界面更快Kg =2.5 前的熱穿透深度達到筆 他底部的粉層. 相比于Kg=3.7 所花費的時間的熱穿透深度達到底部的粉層較長Kg =2.5 . 一旦熱穿透深度到達底部的粉層, 熔化過程既Kg=3.7 ,Kg=2.5 全速自更 熱能可以用來供應(yīng)潛伏的熔化. 圖6. 多孔性的作用在液體階段在液體表面和液體堅實接口的地點(Ste = 0.15) 。 圖7. 冷資深 的作用在表面溫度(Ste = 0.02) 。 圖8. 冷資深 的作用在表面溫度(Ste = 0.15) 。 圖9. 冷資深 的作用在液體表面和液體堅實接口的地點(Ste = 0.02) 。 圖10. 冷資深 的作用在液體表面和液體堅實接口的地點(Ste = 0.15) 。 圖11. 氣體無維的導(dǎo)熱性的作用在表面溫度。 5 . 結(jié)論 熔煉一冷雙組分金屬粉末層受到一恒定熱流加熱調(diào)查分析. 收縮所致熔煉,也會一并考慮. 增加的斯特凡數(shù)量和貨值冷人數(shù)加速熔化過程. 熔融的粉層充滿氬較低因次導(dǎo)熱也是調(diào)查,以避免 氧化. 熔煉有限粉末床不同于熔化半無限板自固液界面熔煉 在有限粉末床動作快,在一個半無限板. 物理模型與這個調(diào)查結(jié)果提供了強有力的基礎(chǔ),而進一步調(diào)查的復(fù)雜三維 選擇性激光燒結(jié)( SLS )過程中,可以根據(jù). 鳴謝 支持這項工作由辦公室和海軍研究公司( ONR )的資助下,一些n00014 - 04 - 1 - 0303非常認同. 參考 [1] J.G. Conley, H.L. 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