基于有限元模擬的TC4鈦合金SEBM人工股骨干組織與力學分析.pdf

1、本文設計并利用選區(qū)電子束熔化成型技術（SEBM）打印了TC4鈦合金人工股骨干，并針對其組織和力學特性，借助有限元模擬方法開展相關的研究工作。通過模擬得到試驗中難以觀察和測量的數據，進而幫助加深對SEBM過程的理解，分析SEBM人工股骨干的組織和受力特點。為SEBM過程的研究提供理論支持，對工藝參數的優(yōu)化以及結構的設計給予指導性建議。
　　本文首先設計并使用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行觀察，成型件表面較為粗糙并有粉末顆粒燒結，內部有一些孔洞缺陷；成型件宏觀組織為定向生長穿過整個成型件的柱狀晶，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生和轉變的機制，以及柱狀晶定向生長的機理和影響因素。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熱過程進行了有限元模擬，并從熱力學角度進行了分析和解釋。根據模擬結果，SEBM是一個快速

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生影響，使其溫度超過相轉變溫度，同時下一層的掃描也會對第 n道產生相同影響。通過對比不同工藝參數下的熔池形貌，從理論上實現了對熔池以及柱狀晶生長方向的控制。
　　最后，根據實際工況對SEBM人工股骨干的力學性能從靜力分析和模態(tài)分析兩方面進行研究。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