基于有限元模擬的TC4鈦合金SEBM人工股骨干組織與力學(xué)分析.pdf

1、本文設(shè)計(jì)并利用選區(qū)電子束熔化成型技術(shù)（SEBM）打印了TC4鈦合金人工股骨干，并針對其組織和力學(xué)特性，借助有限元模擬方法開展相關(guān)的研究工作。通過模擬得到試驗(yàn)中難以觀察和測量的數(shù)據(jù)，進(jìn)而幫助加深對SEBM過程的理解，分析SEBM人工股骨干的組織和受力特點(diǎn)。為SEBM過程的研究提供理論支持，對工藝參數(shù)的優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)給予指導(dǎo)性建議。
　　本文首先設(shè)計(jì)并使用Arcam Q20電子束熔化成型系統(tǒng)打印了TC4人工股骨干，采用金相和SEM

2、手段對成型件表面和微觀組織進(jìn)行觀察，成型件表面較為粗糙并有粉末顆粒燒結(jié)，內(nèi)部有一些孔洞缺陷；成型件宏觀組織為定向生長穿過整個(gè)成型件的柱狀晶，微觀組織為魏氏組織。
　　其次，為了分析工藝過程成型件微觀組織產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的機(jī)制，以及柱狀晶定向生長的機(jī)理和影響因素。測得了隨溫度變化的TC4粉末的熱物理性能，并利用Marc及Fortran二次開發(fā)對SEBM熱過程進(jìn)行了有限元模擬，并從熱力學(xué)角度進(jìn)行了分析和解釋。根據(jù)模擬結(jié)果，SEBM是一個(gè)快速

3、升溫和降溫的過程，成型過程存在著較大的溫度梯度。從熱循環(huán)曲線來看，第 n+1道掃描和第 n+2道掃描都會對第 n道形成的凝固組織產(chǎn)生影響，使其溫度超過相轉(zhuǎn)變溫度，同時(shí)下一層的掃描也會對第 n道產(chǎn)生相同影響。通過對比不同工藝參數(shù)下的熔池形貌，從理論上實(shí)現(xiàn)了對熔池以及柱狀晶生長方向的控制。
　　最后，根據(jù)實(shí)際工況對SEBM人工股骨干的力學(xué)性能從靜力分析和模態(tài)分析兩方面進(jìn)行研究。對比了傳統(tǒng)人工股骨干與SEBM人工股骨干在集中力載荷下的力