發(fā)布時(shí)間：2020-11-10 11:58

　　 金屬材料在材料應(yīng)用領(lǐng)域具有十分重要的地位。加快發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化更高性能的合金配方,在工業(yè)、制造業(yè)、航天航空等領(lǐng)域具有非常重要的意義。然而,長(zhǎng)期以來(lái)新材料的研發(fā)都是以基于經(jīng)驗(yàn)或者按屬性連續(xù)進(jìn)行的方式,通過(guò)逐步實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù),并從中確認(rèn)研究模式。因此實(shí)驗(yàn)通量很大程度上決定了這種材料研發(fā)方式的速度。樣品數(shù)量有限、研發(fā)效率低、研發(fā)周期長(zhǎng),已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前世界各國(guó)材料快速發(fā)展的需求。隨著金屬增材制造技術(shù)逐漸成熟,基于該技術(shù)設(shè)計(jì)新型高通量金屬制備設(shè)備成為可能。本文將增材制造技術(shù)的一體化制造、快速成型以及材料高利用率的特點(diǎn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合,形成高通量塊體合金材料制備系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)如下:1.粉末精確定量遞送技術(shù);2.粉末混合和均化技術(shù);3.金屬粉末原位熔融固化技術(shù);4.功能模塊集成及智能控制技術(shù)。結(jié)構(gòu)上本文首先對(duì)所設(shè)計(jì)的高通量塊體合金材料制備系統(tǒng)各個(gè)功能模塊和所運(yùn)用到的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。之后,主要對(duì)所研究的三個(gè)方面,多相流粉末混合模型,激光微區(qū)加熱模型,運(yùn)動(dòng)功能模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。首先本文對(duì)于粉末混合均化技術(shù),文章比較了多種離散元仿真方法,最后運(yùn)用多相流閉包顆粒仿真方法(Multiphase Particle-in-Cell,MP-PIC)仿真方法模擬了粉末在混合腔體中的流動(dòng)形態(tài)和特性。通過(guò)觀察粉末流動(dòng),分析了粉末混合的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,并根據(jù)結(jié)果設(shè)計(jì)了一種新型粉末快速混合裝置,使其粉末混合效率得到大幅提升。對(duì)于粉末精確定量技術(shù)文章比較了在增材制造上運(yùn)用較多的吸入式送粉器和其他在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的毛細(xì)管定量系統(tǒng)、振搖器式粉末定量系統(tǒng)、真空滾筒定量系統(tǒng)等,對(duì)各個(gè)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。在金屬粉末原位熔融固化技術(shù)方面,文章分析了應(yīng)用激光凈成型技術(shù)制備合金的優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于APDL(ANSYS Parametric Design Language)的金屬熔覆仿真程序,并對(duì)仿真結(jié)果中的溫度場(chǎng)分布、熱通量分布、溫度變化曲線進(jìn)行詳盡的分析。功能模塊設(shè)計(jì)方面,文章編寫(xiě)了基于MCX314和DSP2812的運(yùn)動(dòng)控制芯片的程序,消息描述了硬件中主要應(yīng)用的各個(gè)模塊和所用到的專用芯片參數(shù)。繪制MCX314基本硬件電路,并對(duì)主要程序進(jìn)行了調(diào)試。高通量塊體合金材料制備系統(tǒng)是一種復(fù)雜高效的合金研發(fā)制備設(shè)備,該設(shè)備的研發(fā)成功將對(duì)國(guó)內(nèi)金屬材料研發(fā)產(chǎn)生重要的影響。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TF125
【部分圖文】：

第一章 緒 論1.1 研究工作的背景與意義人類文明的進(jìn)程與材料應(yīng)用的發(fā)展息息相關(guān)，從早期的石器時(shí)代、鐵器時(shí)代，再到工業(yè)時(shí)代，新材料的研發(fā)大大提高了人類歷史的進(jìn)程。材料的發(fā)現(xiàn)和使用是一個(gè)緩慢演化的過(guò)程，進(jìn)入工業(yè)文明時(shí)代以來(lái)，才開(kāi)始有了較為系統(tǒng)的研究方法。新型材料的研發(fā)長(zhǎng)期以來(lái)基于已有經(jīng)驗(yàn)與材料屬性連續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，逐步確認(rèn)的研究方式。效率低且成本高昂。如何更加快速、經(jīng)濟(jì)、有效地研發(fā)新型材料，提高優(yōu)異性能材料的研發(fā)進(jìn)度，是一直是材料學(xué)家密切關(guān)注的問(wèn)題。多體相互作用模型及理論在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域取得的重大進(jìn)展使得人們對(duì)材料的結(jié)構(gòu)有了更深刻的認(rèn)知。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將人工智能、大數(shù)據(jù)的方法和物理、化學(xué)科學(xué)體系相結(jié)合，構(gòu)成“計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)-材料實(shí)驗(yàn)-測(cè)試數(shù)據(jù)整合-計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)”的閉環(huán)體系，使計(jì)算預(yù)測(cè)材料結(jié)構(gòu)性能可靠性大大提高。通過(guò)整合整套計(jì)算、實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)資源，使得，得到所有實(shí)驗(yàn)資料得到充分的利用，從根本上提高了研發(fā)效率。

圖 1-2 美國(guó)材料基因組計(jì)劃打造由材料實(shí)驗(yàn)、材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、材料計(jì)算機(jī)模擬構(gòu)，形成現(xiàn)代化的材料研發(fā)體系。使材料研發(fā)流程維持在，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，推動(dòng)人工智能和大數(shù)據(jù)在材料研發(fā)料基因組計(jì)劃整個(gè)研發(fā)流程來(lái)看，其主旨在于將材料、“試驗(yàn)性”向由計(jì)算機(jī)、人工智能和大數(shù)據(jù)主導(dǎo)的“預(yù)變。從而加快新材料從發(fā)現(xiàn)，研究到應(yīng)用化、商業(yè)化的期解構(gòu)縮短為傳統(tǒng)周期的一半以上。定義的新型材料科學(xué)研究平臺(tái)，將整合計(jì)算模擬、實(shí)驗(yàn)構(gòu)材料研發(fā)中其工藝組成-特性結(jié)構(gòu)-關(guān)鍵性能間的作用研發(fā)、制備表征、推廣產(chǎn)業(yè)化到服役回收的整個(gè)壽命周程的內(nèi)核。增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)作為美國(guó)首家制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，2015增材制造應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目指南。該計(jì)劃以增材制

圖 1-3 高通量實(shí)驗(yàn)的主要發(fā)展歷程1970 年，Hanak 率先將了“多樣品實(shí)驗(yàn)”的方法應(yīng)用于超導(dǎo)材料研究[11]。該方法的關(guān)鍵理念是在單次試驗(yàn)中制備完整覆蓋多組分材料體系中不同元素組分的組合材料芯片。通過(guò)快速表征的方法并結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。但由于 70年代計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)能力和表征技術(shù)限制，該實(shí)驗(yàn)手段并未能夠得到廣泛普及。20 世紀(jì) 80 年代中期，隨著組合化學(xué)學(xué)科的興起，生物、醫(yī)藥方面的高通量新藥篩選、高通量基因測(cè)序，化學(xué)、材料實(shí)驗(yàn)中用到的高通量平行反應(yīng)器等都運(yùn)用到了組合化學(xué)的方法。通過(guò)應(yīng)用組合化學(xué)的方法，生物和化學(xué)等領(lǐng)域的新材料，新配方的研發(fā)效率都得到了顯著的提高。20 世紀(jì) 90 年代中期，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)曉東和 Schultz 對(duì)高通量組合材料實(shí)驗(yàn)方法[12]進(jìn)行了發(fā)展和完善，形成了一套適應(yīng)現(xiàn)代科研體系的試驗(yàn)方法[13]。同時(shí)在方法的推廣應(yīng)用過(guò)程中，取得了一系列新的進(jìn)展，在產(chǎn)業(yè)化方面也卓有成效。20 世紀(jì) 90 年代末期，利用高通量組合材料方法研發(fā)新型材料已普遍被材料研
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