Al2O3陶瓷激光选区熔化表面组织形成机理的数值仿真研究

"基于数值仿真的Al2O3陶瓷激光选区熔化(SLM)成形表面凝固组织的形成机理研究" 本文深入探讨了基于数值仿真的Al2O3陶瓷激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）成形过程中表面微观组织的形成机制。Al2O3陶瓷SLM成形是一种利用高能激光束精确控制金属或陶瓷粉末熔化和固化，以制造复杂结构的增材制造技术。研究中，作者发现Al2O3陶瓷在SLM成形过程中，满足发生贝纳德-马兰戈尼（Bénard-Marangoni）表面失稳的条件，这是一种由表面张力梯度驱动的对流现象。 随着激光能量的减小，SLM过程中的对流趋于稳定状态。激光能量是决定SLM成形过程中熔池深度和宽度的关键因素，较低的能量意味着更小的熔化区域，从而可能减少不稳定的对流活动。因此，降低激光功率有助于实现更稳定的成形过程。 基板预热是另一个影响SLM成形效果的重要因素。预热可以改变熔融金属与基板之间的温差，进而影响贝纳德-马兰戈尼对流的状态。通过对基板进行适当的预热，可以调控熔池的冷却速率，从而优化表面微观组织的形成。 实验还揭示了快速扫描速度和低预热温度有利于形成稳态液体表面的层流流动。高速扫描可以减少熔池在凝固前的停留时间，减少对流的可能性，而低预热温度可以降低表面张力差异，同样有助于抑制不稳定流动，形成更均匀的微观结构。 激光技术在SLM成形中的应用具有高度的精确性和灵活性，但同时也面临着材料选择、工艺参数优化等挑战。通过数值仿真，科研人员可以更好地理解这些复杂的物理过程，预测和控制SLM成形的微观组织，从而提升零件的性能和质量。 关键词激光技术的使用，特别是针对Al2O3陶瓷，展示了SLM在复杂陶瓷结构制备上的潜力。表面微观组织的研究对于优化材料性能至关重要，因为它直接影响到最终产品的耐磨损性、强度以及热稳定性。贝纳德-马兰戈尼失稳和马兰戈尼数是描述这一过程的重要物理量，它们可以帮助研究人员理解和控制SLM成形过程中由于表面张力变化引发的流动行为。 这项研究为Al2O3陶瓷SLM成形提供了理论依据和优化方向，对于提高陶瓷零件的制造精度和表面质量具有重要意义，也为未来的材料加工技术和设备设计提供了有价值的参考。通过不断优化工艺参数和理解这些复杂的物理现象，我们有望在SLM技术中实现更高效、更精确的陶瓷组件制造。