【机情无限 精彩毕设】机械2025届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第二十八期——3D打印镍基高温合金表面激光抛光熔池演变过程研究

学生姓名：王尚言

班      级：机械(茅班)2021-01班

指导教师：王小强

毕设题目：3D打印镍基高温合金表面激光抛光熔池演变过程研究

一、概况

1.选题意义

本论文围绕镍基高温合金IN718的脉冲激光抛光展开研究，从抛光时熔池的动态行为入手，利用数值模拟和实验研究结合的方法，明确抛光加工思路，提出了一种高效高质量的抛光方案。根据仿真熔池动态行为结果，深入理解激光抛光过程中熔池演变过程与激光抛光表面的基本原理。同时尝试使用不同加工参数组合与优化方案，结合加工表面质量分析，得到工艺参数对于熔池稳定性控制以及激光抛光效果的具体影响，最终得到理想的综合加工方案，能够实现镍基高温合金表面最佳抛光效果。

2.任务分解

（1）背景调研：搜集已有的研究成果，梳理国内外在金属激光抛光领域的研究脉络，了解其主流方法技术。

（2）仿真阶段：建立激光抛光的多物理场耦合模型，理解激光抛光作用机理；

（3）实验阶段：通过实验探索工艺参数对抛光表面的影响，寻找最佳抛光效果的参数组合；

（4）优化阶段：引入磁辅助控制与组合加工策略，进一步提升表面质量与加工效率。

二、已完成工作

1.围绕3D打印金属表面的激光抛光，查阅相关文献了解到目前国内外的研究现状，并且完成了1.5万字的英文综述翻译，深入了解了当前研究的关注点与不足。

图 1 英文文献翻译

2.使用COMSOL有限元仿真软件，建立了激光抛光熔池模型，初步揭示熔池受马拉格尼效应的张力驱动力影响下重新平滑的过程。

图 2 模型材料参数与边界条件

图 3 仿真结果图

3.使用红外纳秒脉冲激光器开展实验研究，研究对象为3D打印的IN718镍基高温合金，初始表面粗糙度为Ra4-6.5um。选择了表面深熔作为实验方案，设计多次正交实验，初步选定了功率、脉冲频率、扫描速度、脉宽、扫描次数，使得表面粗糙度下降90%左右。

图 4 材料初始表面地形图

图 5 表面浅熔(左)与表面深熔(右)抛光效果

4.针对本课题表面深熔长脉宽的方案，考虑引入磁场对熔池的流动行为进行一定的控制。设计实验使用永磁铁进行了此辅助加工可行性分析，发现在目前的加工参数下其对熔池液滴流动确实有一定的控制效果。

图 6 磁辅助加工可行性分析

三、下一步工作计划

1.优化仿真模型，对仿真结果进行定量分析；

2.开展“频率-速度”组合研究，寻找最佳抛光参数组合；

3.进行加工优化方案可行性分析，提出最终加工方案；

4.论文撰写与毕业答辩。

问题一：如何在仿真中体现出材料的相变过程？

回答：在函数定义中引入了相分数的概念，固态为0、液态为1，并且在固相温度和液相温度之间平滑过渡。同时也使用了大量的阶跃函数、插值函数实现了材料的物理特性随相变进程而不断变化，并且需要考虑到熔化带来的潜热损失。

问题二：抛光方案的选择标准是什么？

回答：抛光方案以粗糙度下降程度为主要判断标准，浅熔方案虽然光洁度更佳但是其粗糙度下降少，而深熔方案可以让表面粗糙度下降90%左右，虽然表面有液滴出现但可以通过多次抛光消除，因此最终选择深熔方案。

问题三：磁辅助加工的原理是什么？

回答：液体在磁场中流动时会受到与速度方向相反的洛伦兹力，其作为阻尼力可以一定程度上抑制熔池的过流现象，通过减少流动速度来减少液体的溢出，进而在熔池凝固后得到更好的表面。

通过参加此次中期答辩，我对自己的毕业设计课题内容和任务都有了更加清晰的认识。在展示过程中回顾了前期已完成的工作内容，包括文献综述的翻译整理、多物理场耦合仿真模型的建立，以及初步实验参数的筛选与验证以及提出了一些加工优化方案。在答辩环节回答评委老师的问题的过程中，我意识到目前的设计在模型精度控制、数据分析维度以及实验设计完整性方面还存在一些不足。此次中期检查不仅让我进一步明晰了后续的研究方向，也暴露出我在逻辑表达、实验结果可视化处理等个人展示方面的欠缺。今后的研究中，我将加强理论与实验的结合，注重结果的可解释性与对比性，确保论文工作的科学性与系统性。