卸载式激光同轴送粉喷嘴的研制

为了在激光快速成形过程中获得较高的粉末利用率并有效改善同轴喷嘴工作性能,研制了一种新型的载气卸载后送粉的激光同轴送粉喷嘴。应用气固两相流理论对卸载后的粉末被喷射出喷嘴后的粉末流场进行了分析计算,研究不同结构参数对粉末流场浓度分布规律及粉末流的汇聚性能（汇聚焦距和聚焦半径）的影响规律,并进行了送粉试验研究。结果表明：同轴送粉喷嘴的汇聚性能主要受粉末流汇聚角、喷嘴半径和宽度的影响,且汇聚角影响较大;同轴送粉喷嘴采用环形直通道渐缩送粉结构和卸载载气的送粉形式,粉末流的汇聚性能明显提高,可以有效地提高粉末的利用率。建立了粉末流简化物理模型,所建模型对同轴送粉喷嘴的设计和性能优化具有一定参考价值。     

激光同轴送粉气固分离均分器的研制

为了在激光快速成形过程中获得较高的粉末利用率和有效改善同轴送粉的均匀性能,研制了一种新型的卸载载气和进行粉末均分的气固分离均分器。应用气固两相流理论对载气卸载和粉末均分过程中的粉末与载气流场进行了分析与仿真,并进行了送粉试验研究。结果表明,气固分离均分器可以良好地将载气卸载,减少载气对粉末流汇聚的干扰,分粉锥面将粉末流进行分割均分,且作为遮挡构件改善由于载气卸载造成的粉末浓度偏离,使得由同轴喷嘴喷射出的粉末流汇聚性能明显提高,有效地提高了粉末的利用率;建立了粉末流简化物理模型,所建模型对气固分离均分器的设计和性能优化具有一定参考价值。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴的研究状况

送粉喷嘴作为送粉系统的关键部件之一,直接影响着激光熔覆的效果。随着激光熔覆技术的发展,国内外对送粉喷嘴进行了深入研究,研制出了多种新型送粉喷嘴,有效的提高了熔覆效果和粉末的利用率。简要的概括了国内外对于同轴送粉喷嘴的研究进展以及送粉原理,分析了现有同轴送粉喷嘴现状,指出了现有送粉喷嘴存在的不足,提出加强送粉喷嘴的设计是加速送粉激光熔覆发展的关键问题之一,并对同轴送粉喷嘴的前景进行了展望。     

同轴送粉激光熔覆中激光透过率研究

研究同轴送粉激光熔覆中激光透过粉末流机理,对激光制造工艺参数的优化及制造过程检测控制具有直接指导意义。重点研究粉末流沿粉嘴中心轴线方向的浓度分布,建立同轴送粉中粉末流浓度场理论模型,对粉嘴结构参数进行优化;基于Beer-Lambert定律,建立同轴送粉激光熔覆中激光透过粉末流的透过率数理模型,重点分析粉末流量对激光透过率的影响;开发一种测试同轴送粉激光熔覆中激光透过功率的系统。结果表明,出粉口宽度为0.4 mm且粉腔外壁倾角选为18°时,粉末流的几何形貌及汇聚性较好;在粉嘴结构参数一定时,粉末流量越大,对激光的衰减越强,激光透过率越低;激光功率选为200 W、300 W、400 W,粉末流量取0~50 mg/s时,理论计算结果与试验结果基本一致。     

激光宽带熔覆光内送粉喷嘴研制

针对现有光外送粉宽带熔覆中金属粉末受热不均匀、光粉同轴耦合精度不高的问题,设计了一种光内送粉激光熔覆喷头。送粉装置位于激光熔覆喷头内部,四周被激光束包裹。为了实现在宽带激光束内部均匀地对熔池送粉,保证粉末受热均匀,粉末速度方向始终垂直于熔池,设计了一种分粉流道;应用FLUENT软件对粉束发散情况进行了数值分析,确定了出口粉管的间距尺寸;应用FLUENT软件对粉管内部流场进行分析,确定了装置内部分粉管路的尺寸,减少了出口处的紊流,达到了较佳的送粉效果。最后利用所研制的送粉装置进行了送粉实验,验证了其效果。     

激光熔覆组合式送粉喷嘴的研制

针对生产实践中激光熔覆加工技术对送粉喷嘴的使用需求,设计研制了一种组合式重力送粉喷嘴。该喷嘴带有送粉缓冲槽,倾斜角度可调,利用循环水进行冷却,适于大容量送粉器使用。实践证明,该新型送粉喷嘴机加工工艺具有技术先进、冷却效果良好、输送粉末流均匀的特点,可以满足激光熔覆的工业应用需求,大大提高了生产效率。     

激光工程化净成形技术同轴送粉的研究

介绍了激光工程化净成形系统同轴送粉器组成和工作原理；通过试验分析可知，粉末送给量与步进电机转速成正比，加工层厚与粉末送给量成正比；激光焦点与喷粉焦点不重合是造成成形件侧表面粗糙、堆积高度波动、截面厚度不均匀和尺寸误差的直接原因，调整激光焦点位置使激光焦点与喷粉焦点重合可有效解决上述问题。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计及有限元分析

阐述激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计,通过公式,推导得出送粉喷嘴的几何特征参数,对激光到达熔覆基体的强度分布情况和粉末流的汇聚性能有显著影响,确定了激光熔覆同轴送粉喷嘴各个几何特征的尺寸参数,设计出结构简单紧凑且具有良好粉末汇聚性能和冷却性能的免装配孔式同轴送粉喷嘴。对试验结果进行有限元分析,找到了喷嘴设计的最优因素水平组合,达到了优化设计喷嘴的目的,为激光熔覆技术的推广应用提供了理论依据。     

毛坯基体形态对再制造同轴送粉粉流场影响规律分析#br#

 在激光增材再制造中,气粉流冲击基体表面的反射情况是影响成形质量和效率的重要因素。由于加工基体形态各不相同,粉末撞击基体后粉流场的变化情况不尽相同,以气固两相流为理论基础,采用EDEM与FLUENT软件耦合仿真,分别对规则基体边界、薄壁基体厚度及弧面基体曲率三种基体变化情况下的气粉流场分布特性进行了研究及实验验证。结果表明：在喷嘴中心轴线远离边界的过程中,壁面接触部分气流场,紊流现象显著,侧壁低速区缩小,负压范围减小,有效加工范围内颗粒数量呈指数趋势减小;随着薄壁基体宽度的增加,气流场范围向两侧发展明显,加工中心点颗粒的体积浓度逐渐降低,有效加工范围颗粒数量先增加然后维持稳定;随着弧面曲率的增大,凸面基体径向颗粒的体积浓度增大,焦点范围减小,粉流有极好的汇聚效果,凹面基体粉流集聚性较差。     

同轴送粉激光熔覆件质量影响因素的研究

介绍了同轴送粉激光熔覆的工艺过程以及激光与金属粉末的作用机理,分析了影响熔覆件质量的主要因素。建立了粉末对激光能量的吸收表达式和稀释率的表达式,提出从材料特性和工艺参数方面改善熔覆件质量的途径。最后对同轴送粉激光熔覆成形研究中急需解决的关键问题进行了展望。     

Numerical simulation of powder flow field on coaxial powder nozzle in laser metal direct manufacturing

In the laser metal direct manufacturing, gas–solid two-phase flow theory is adopted to simulate the flow field of powders in coaxial nozzle to fabricate complex parts of compact structure. The separate model in FLUENT is used to evaluate the concentration distribution rule and the focusing characteristics of the powder flow field. The results indicate that the focal concentrations of the coaxial powder nozzle in radial direction and axial direction are approximately obeyed by the Gaussian distribution. When the cone angle of coaxial nozzle is invariable, the cone ring gap is smaller, the focal point concentration in the powder flow field is bigger; the focus radius is smaller, the focal distance is also smaller, and the gathering characteristic is better. When the cone ring gap of the coaxial powder nozzle is invariable, the cone angle getting too big or too small is harmful for powder gathering. When other conditions are invariable, extreme protective gas velocity (too large or too small) is harmful for powder gathering. When the protective gas velocity approaches to 6 m/s, the gathering characteristic of the coaxial nozzle achieves its best performance.     

配备下限流导液管的环缝喷嘴雾化能力研究

高品质金属粉末是众多制造领域中的基础材料,微细粉末成型的关键技术在于气雾化制备阶段,而喷嘴及导液管结构和雾化工艺参数对气雾化粉末的质量有重要影响。基于高速射流流体动力学的数值模拟方法研究了雾化压力、雾化气体温度、导液管下口直径与伸出长度对配备下限流导液管环缝喷嘴雾化能力的影响,通过喷盘流场检测验证模型的可靠性。结果表明：环缝喷嘴装配下限流导液管临界入口压力为128.1 kPa,雾化压力2.0 MPa时既能有效增大雾化腔内的气体最大速度和降低最低温度,又能防止过高压力造成返喷而影响气雾化顺行。此外,在极限雾化压力2.0 MPa下,通过增大雾化气体温度、下限流导液管下口直径由5 mm降低至1 mm以及伸出长度由0 mm增大至2 mm均能继续提升气液质量流速比而提升其雾化能力。生产实践也证实了模型的预瞻性,在此优化工艺下生产顺行且粉末粒度D50仅为23.84μm。     

数字化微喷射用玻璃基组合微喷嘴设计及实验

为提高液滴微喷射的喷效率和粉体微喷射的喷射方向性,选用普通硼硅酸盐毛细管和石英玻璃管为原材料,基于稳定的拉制和锻制工艺,设计并制作了直列式组合微喷嘴和同轴式组合微喷嘴.在基于微流体数字化的微喷射实验平台上,利用4×2直列式组合微喷嘴单次喷射得到了形状规则、圆整,大小均匀,无卫星液滴的液滴阵列,液滴平均直径为180 μm;相对于单微喷嘴,直列式组合喷嘴提高了单次微喷射的效率.另外,进行了粉体微喷射实验,相对于单微喷嘴,同轴式组合微喷嘴在相同驱动条件下,出射角由33°减小至10°,成形粉线的宽度由450 μm降低至300 μm.结果表明,同轴式组合微喷嘴中的辅助喷嘴有效地约束了主喷嘴出射的粉体流动,粉体喷射的方向性有显著提高.     

3D打印燃气轮机天然气喷嘴的流场仿真分析

开展3D打印天然气喷嘴流场仿真研究,为小型化燃气轮机控制技术的提升奠定基础。利用Solidworks、ANSYS ICEM CFD软件进行3D打印天然气喷嘴模型建模和网格划分,基于FLUENT仿真完成不同压力工况下稳态天然气喷射流场的数值模拟计算。在天然气喷嘴外流场中形成的几何回流区会随着供气压强的增大而消失,中心回流区会随着工况压力的增大而逐渐向下游区域移动;天然气喷嘴的体积流量会先随着供气压强的增大而增大,供气压强大于0.15 MPa时体积流量逐渐饱和趋于平缓;质量流量随着压力工况的增大而呈线性增大;在距离喷嘴出口70mm处的不同压强工况下的不均匀度小于0.37。从仿真上研究天然气的分布以及气流的流动特性为3D打印喷嘴安全稳定运行及合理组织流场提供参考依据,为3D打印技术在燃气轮机制造中的应用提供了理论基础。     

The erosion and abrasion characteristics of alumina coatings plasma sprayed under different spraying conditions

A series of plasma sprayed alumina coatings was evaluated regarding their erosion and abrasion characteristics. The coatings were deposited under different spraying conditions, using a commercial axial injection plasma spray system, and with powders of different grit sizes and crystallinity. A sintered bulk alumina and a conventionally sprayed coating, produced by a radial injection air plasma spray technique, were tested as reference materials. To evaluate the importance of energy input the coatings were produced using two different torch nozzle sizes and gas mixtures with a varied amount of hydrogen. The erosion and abrasion results indicate that hydrogen concentration, nozzle size and precursor powder type and size influence the tribological characteristics of the coatings. The wear resistance of the coatings seems to benefit from an increase in hydrogen concentration or torch nozzle size. The effect of precursor powder size on the wear resistance was more complex but indicates that sapphire powders of medium precursor sizes are advantageous to ordinary plasma spraying powders of alumina.