金属熔体重熔性分析.pdf

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1、Test&Research试验研究金属熔体重熔性分析刘伟，张永军，甘代伟(陕西国防工业职业技术学院,陕西西安710302)摘要：采用数值计算与实验分析相结合的方法，深入研究了金属熔体的断裂、铺展过程及与基体重熔性，结果表明：熔体受自身重力、金属表面张力以及脉冲气压向下压力作用，其中重力和脉冲气压力是促使熔体断裂，脱离喷嘴的作用力，而金属表面张力使得断裂后的熔体逐渐形成圆球形。金属熔体沉积过程依据金属熔体形态特征变化，将整个沉积过程划分为三个阶段：运动、沉积铺展和平衡阶段。当金属熔体沉积在基体上，如果界面温度超过基体的熔点，基体会熔化，形成很好的冶金结合。关键词：金属熔体；

2、基体；重熔性；断裂；铺展。中图分类号：TG249.9；文献标识码：A；文章编号:1006-9658（2017）01-0023-03DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.0070引言在熔体受自身重力由于早期的3D打印技术采用非金属材料，无Fg及脉冲气压向下压力法直接制作金属零件，故在生产中通过先制作非金FQ的作用下，聚集在喷属原型件，再用原型件充当工具、模具的方法来批嘴端部熔体的尺寸会不量制造金属零件[1-3]。这种方法虽然也能对缩短生断增大，直到等于表面产周期和降低制造成本一定的作用，但由于较复杂张力Fδ产生的阻力时，的后续工艺，会造成

3、一定的精度损失。而采用金属熔体的直径达到了其最材料直接成形金属零件，则可以直接完成CAD模大临界直径，继而从喷图1金属熔体受力模型型到金属零件的转换，不受工、模具等的限制，使零嘴端部脱落。其中喷嘴[4][6]件的设计、制造有更好的灵活性。直径不同时，形成熔体直径是不同的。1金属熔体断裂过程数值计算模型的建立2金属熔体成形数值计算模型过程分析图1为位于喷嘴末端部金属熔体的简化受力金属熔体沉积过程中形态变化复杂，铺展半径模型，在此模型中假设熔体的形状为理想球形。熔R（t）（图2基板上液固接触线的半径）不断变化，依体受自身重力Fg、金属表面张力Fδ以及脉冲气压据金属熔体形态特征

4、变化，将整个沉积过程划分为[7]向下压力FQ作用，其中重力Fg和脉冲气压力FQ是三个阶段：运动、沉积铺展和平衡阶段。促使熔体断裂，脱离喷嘴的作用力，而金属表面张[5]力Fδ使得断裂后的熔体逐渐形成圆球形。（a）运动阶段（b）沉积铺展阶段（c）平衡阶段图2金属熔体变形示意图项目来源：陕西国防工业职业技术学院院级课题（编号：Gfy16-06）1）运动阶段收稿日期:2016-11-18稿件编号:1611-1579运动阶段由于液体表面张力和粘性的作用，作者简介：刘伟（1982—），男，讲师，主要从事机械加工及3D打印方金属熔体仍能保持如图2（a）所示的球面性质。金面的工作.中国铸

5、造装备与技术1∕201723试验研究Test&Research属熔体与基板发生碰撞形成激波，以激波波面（图2虚线）为界，上面是低压区，而受到压缩形成高压区。激波波面未突破金属熔体表面而保持图2.a所示形状。2）沉积铺展阶段激波突破金属熔体表面带动液体逐渐沉积，图图3基体重熔分析模型2.b金属熔体变形生成薄层H是沉积铺展阶段开始假定熔体温度为Td，基板温度T，熔化温度Tm。的标志，随着喷射的继续薄层不断变大，液固接触流体区域热传导：线速度为零时金属熔体的半径达到最大。由能量2∂∂TTdd，t≥0（5）守恒可以推导出最大铺展半径Rmax和R0之间的关=αd20≤≤xXt()∂

6、∂tx系。固体区域热传导：（We∗+12）2R=R∂∂TTmax03-cosαWe∗=α，t≥0（6）（1）+4()（1）2xXt≥()∗∂∂txRe界面温度：式中,2Txt((),t)=Tmt≥0（7）∗ρDVWe=（2）σStefan条件：∗ρDVRe=（3）∂T∂TdXµd，t≥0（8）kkL−=ρ∂∂tdxdtxXt≥()式中，D为碰撞前金属熔体直径；σ为表面张式中：X（t）为固液界面（移动边界）。∗We力；α为前进接触角；1-cosα和Re∗分别表征该解析解可预测初始金属熔体与基板界面的毛细力和碰撞动压力对Rmax的影响。温度。产生融化的温度条件是位移与时间的平

7、方3）平衡阶段根成正比，获得融化界面的表达式为：金属熔体在沉积铺展过程中逐渐凝固，由能量2αs−λ2最低原理知金属熔体将趋于平衡。耗散作用使金(TTe−)−λTTe−αdtmg(dm)2属熔体的动能和势能变为零，表面能则处于最低的Xt()=ksd−k（9）αserf(λ)αsρπLαλderf状态。若基板光滑且金属熔体是基板材料的可湿αd性液体，金属熔体会铺展形成一个等厚液膜，即完金属熔体与基体的热传递模型可视为两相全浸润；若基板表而粗糙或者不干净等因素，形成Stefan模型，如图4