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摘 要

流体流动是高能束增材制造过程中极为常见且难以避免的现象。它将对制造过程中的热质输运乃至金属件的成型工艺与宏观性能产生深远的影响。研究者目前大多采用数值方法模拟研究增材制造过程中的流场演化，并据其推断与调控制造过程中所形成的凝固组织，从而达到改善增材制造工艺、优化零件成形过程的目标。本文以等离子体增材制造过程中熔池附近流场演化过程为研究对象，探索将纹影技术用于可视化观测流场的可行性。首先，从光在变密度流场中的传播特性出发，阐述了基于纹影技术对流场进行可视化观测的基本原理。其次，通过吸收和借鉴国内外科研人员对于纹影法的研究成果，对纹影光路、主纹影镜、光源装置和成像装置进行设计，并搭建了一套可用于流场观测的纹影系统。该系统可探测等离子体增材制造过程中由保护气体喷射、温度梯度诱导所产生的气流流场演化过程。第三，装配完成一套单镜式纹影系统和一套双镜式纹影系统，并分别标定了其空间及时间分辨率。最后，对层流电弧等离子束增材制造过程中熔池附近流场开展观测实验，获得了流场演化过程的纹影图像并对出现的问题进行分析。本文研究结果表明，将纹影技术用于观测高能束增材制造过程中的流场变化是切实可行的。这为进一步深入探索定量观测等离体子增材制造过程中的热质输运提供了依据。

关键词：等离子体；增材制造；熔池；纹影法；演化过程

Abstract

Fluid flow is a commonly observed and avoidable physical phenomenon in high energy beam additive manufacturing processes. It has a profound effect on the heat and mass transfer during manufacturing and even influences the processing and macroscopic properties. Recently, numerical methods are usually used to study the flow field in additive manufacturing processes. According to the simulated data, researchers predicts and controls the solidification structures, improves the additive manufacturing technologies and optimize the forming processes.

In the present work，the fluid flows during plasma additive manufacturing process was taken as the subject investigated to explore the feasibility of using Schlieren technology to visually observe the flow field near the molten pool. Firstly, the fundamental principle of visual observation of Schlieren technology is described on the propagation characteristics of light in the variable density flow field, Secondly, by absorbing and drawing on the research results of scientific researchers on the Schlieren technology, the Schlieren light path, the main stylus mirror, the light source device and the imaging device are designed, and a Schlieren system that can be used for observation of the flow field is built. The system can detect the evolution of the air flow field generated by protective gas injection and temperature gradient induction in the plasma additive manufacturing process. Then, a single-mirror Schlieren system and a double-mirror Schlieren system were assembled to calibrate the spatial and temporal resolution. Finally, an observation experiment was carried out on the flow field close to the molten pool in the laminar arc plasma beam additive manufacturing process. The Schlieren image of the flow field evolution process was obtained and the problems occurred were analyzed. The results demonstrate the feasibility of using schlieren technology to observe the change of flow field in high-energy beam additive manufacturing process. This work provides the basis for the further exploration of quantitative observation of heat and mass transport in plasma additive manufacturing processes.

KEY WORDS: plasma; additive manufacturing; molten pool; schlieren method; evolutionary process

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 增材制造技术概述 1

1.2 纹影技术在高能束增材制造中的意义 3

1.3 传统纹影技术概述 3

1.3.1 传统纹影技术的产生 3

1.3.2 纹影技术国内研究现状 3

1.3.3 纹影技术国外研究现状 4

1.4 论文研究思路及结构安排 5

第二章 基于纹影技术的流场可视化方法 6

2.1 流场折射率 6

2.2 流场密度与折射率的关系 6

2.3 光在变密度流场中的传播 7

2.4 纹影法基本原理 9

2.5 本章小结 12

第三章 基于纹影技术的流场可视化装置设计及搭建 13

3.1 纹影装置光路设计 13

3.2 主纹影镜参数选择 14

3.3 纹影装置光源选择 15

3.3.1 光源类型选择 15

3.3.2 光源尺寸及布置 16

3.4 成像系统设计 16

3.5 纹影系统性能测试 17

3.5.1 单镜纹影系统的实际布置 17

3.5.2 双镜纹影系统的实际布置 18

3.5.3 分辨率 19

3.6 本章小结 19

第四章 等离子体增材制造过程熔池附近流场观测实验 20

4.1 实验方案 20

4.2 实验结果与分析 22

4.3 本章小结 23

第五章 结论与展望 24

5.1 工作总结 24

5.2 未来研究展望 24

致谢 25

参考文献 26

绪论

增材制造技术概述

增材制造（3D打印）技术是指通过材料逐层堆积的方式，根据产品的三维模型直接制造成为实体产品。与传统的减材制造相比，增材制造技术不需要模具，可以直接数字化制造，具有原材料浪费少、工艺简单、制造流程短、可成形复杂外形及结构等特点，这是一种具有创新意义的制造方法，被称为21世纪的制造科学。目前为止，增材制造已在医疗、航空航天、汽车制造、模具、文化创意、教育等领域得到了广泛应用^[1]。

现有增材制造技术所使用热源主要有激光、电子束和等离子体等，下面主要对上述三种热源的增材制造技术进行阐述。

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