金属粉末选区激光熔化成形过程温度场模拟

利用ANSYS有限元软件对选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形过程的三维瞬态温度场的分布变化进行了数值模拟;在考虑材料的热物性参数随温度变化和相变非线性行为的情况下,建立了选择性激光熔化(SLM)的三维温度场有限元模型;并利用ANSYS参数化设计语言(APDL)实现了激光高斯热源的移动加载.模拟结果表明随着扫描时间的增加,由于热积累效应,熔池的温度越来越高,热影响区也随之增大;熔化成形过程中,光斑中心的前端存在较大的温度梯度;扫描速度小,容易造成液相的流动,出现孔洞,扫描速度过大,则粉末不能完全熔化;模拟得到的结果与实验结果相吻合.     

选择性激光熔化成形高熵合金CoCrFeMnNi的温度场数值模拟研究

采用Ansys有限元分析软件,对选择性激光熔化成形高熵合金CoCrFeMnNi的温度场分布进行数值模拟。在考虑随温度变化的热物理参数情况下,建立选择性激光熔化有限元模型,利用在Ansys-Workbench中插入参数化设计语言,实现高斯锥形体热源的加载,研究功率和速度对成形过程温度场的影响。模拟结果表明：在单层多道模拟时,随着SLM激光功率增大和扫描速度的下降,SLM成形HEA CoCrFeMnNi的熔池长度和宽度呈增大趋势;先扫描的区域会对未扫描的区域起预热作用且存在热积累现象,在平行于SLM激光扫描方向存在较大的温度梯度。     

TiAl合金表面多道搭接激光重熔温度场数值模拟

为了研究多道搭接对激光重熔等离子喷涂NiCoCrAl-Y2O3涂层熔化的影响,根据激光重熔的特点,采用ANSYS有限元软件的参数化设计语言,在已有的单道激光重熔温度场模型基础上,建立了TiAl合金表面多道搭接激光重熔连续移动三维温度场有限元模型.温度场的分析结果表明:由于激光扫描的热积累效应,重熔过程中试样的温度越来越高,熔池也越来越大,各扫描道之间存在明显的差异,因此不能获得熔化均匀且稀释率小的高质量重熔层.采用逐道减小激光功率或增大扫描速度的策略可以获得大体相同的各扫描道熔池;采用预热试样法同样可以有效地减轻各扫描道之间熔池的差异.     

基于多层有限元模型的激光选区熔化多层瞬态温度场演化规律研究

建立了激光选区熔化(SLM)加工的多层瞬态热有限元模型,该模型考虑了随温度变化的材料属性,并通过将粉末材料的热物理属性转换为实体材料的热物理属性来模拟粉末-实体的转换过程,有限元分析结果与单熔道实验结果吻合,验证了该模型的有效性。研究了扫描速度(0.2 m/s,0.4 m/s,0.6 m/s)和激光功率(80 W,100 W,120 W)对温度场的影响,并研究了相邻层之间的铺粉过程的冷却效应。结果显示,当扫描速度越大时,温度峰值点相较激光光斑中心越偏后,温度峰值和温度梯度随着激光功率的增大或者扫描速度的减小而增大,该研究为SLM加工工艺参数的选择提供了理论依据。     

激光直接烧结FGH95合金温度场的有限元模拟

综合考虑了随温度变化而变化的热传导、比热容等热物性参数的作用.基于ANSYS平台建立了连续移动的三维瞬态多道直接激光金属烧结温度场的有限元模型.利用APDL参数化设计语言实现热源移动,利用焓处理相变潜热的影响,对镍基合金粉末的烧结成型温度场进行了模拟,系统分析了熔池的加热及温度场随时间的变化规律.模拟结果表明:随着时间的增加,由于热积累效应使得熔池的温度越来越高;彗星状温度云图的最高温度并不在激光光斑中心而是稍微滞后;随着烧结过程的进行,随后的烧结道具有越来越大的热影响区域,但烧结的宽度和深度没有太大的变化.     

选区激光熔化快速成型过程温度场数值模拟

为了优化铜磷合金粉末选区激光熔化快速成型的工艺参数,采用有限元分析软件ANSYS对其温度场进行了模拟,经理论分析和实验验证,获得了其温度场分布的数据.对材料未知温度范围内的热特性参数用插值法近似获得,采用不等网格剖分方式,用热焓去处理相变潜热问题.结果表明,其温度场的等温线分布为椭圆形,用模拟遴选的工艺参数(在铺粉厚度为0.22mm时,选用激光功率为100W、扫描速度为0.25m/s和激光束半径为0.1mm)能实现选区激光熔化快速成型.这一结果对其它粉末材料的选区激光熔化快速成型也是有帮助的.     

扫描策略对金属粉末选区激光熔化温度场的影响

针对岛式扫描策略进行三维有限元仿真,并采用蛇形扫描方式进行对比。综合考虑热传导、热辐射和热对流效应,合金材料热物理性能参数与温度的非线性关系及相变潜热的影响,建立了三维瞬态金属选区激光熔化(SLM)有限元模型。分析结果表明,SLM成形过程中,熔池呈水滴状,前端温度等值线比后端细密。与蛇形扫描方式相比,岛式扫描方式下岛屿边缘会出现温度二次升高现象,试件整体温度场分布均匀,有利于减小应力集中。温度场特点直接影响β相柱状晶的大小,岛式扫描方式更易形成较粗的β相柱状晶。分区扫描对岛屿边界影响较为明显,与岛屿内部相比,相邻的岛屿间搭接质量较差。     

曲面激光增材制造钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程热行为研究

针对曲面激光增材制造钛/铝异质材料温度场和熔池形貌的调控难题,采用有限元模拟方法,对激光定向能量沉积(LDED)钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程进行数值模拟,通过控制变量研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌、宽深比及温度场的影响规律,并进行了实验验证。研究结果表明：LDED成形钛/铝异质材料的熔池热行为、形貌等随激光参数发生显著变化,当扫描速度为0.32 rad/s时,随着激光功率从1400 W增至2300 W,熔池最高温度从1525.5℃升至3289.8℃,熔池的体积从1.16 mm³增至7.73 mm³,熔池宽深比与激光体能量密度呈负相关。当激光功率为2000 W,扫描速度为0.32 rad/s时,Al-Ti异质材料层的熔池宽深比最大,为1.84,起始堆积Ti层的宽深比次之,为1.42,稳定堆积Ti层的宽深比最小,为1.22。实验得到的熔池宽度为0.61 mm,熔池形貌与有限元模拟熔池形貌吻合良好。     

层间停留时间对SLM成形Ti6Al4V应力场模拟研究

选区激光熔化(SLM)技术广泛应用于三维复杂零件的增材制造成形,但激光的瞬间高温易对零件产生热应力,影响加工质量.建立Ti6Al4V三维有限元模拟模型,对SLM沉积成形过程进行了模拟研究,探究双层多道沉积模型的层间停留时间对温度分布及热应力演变规律的影响.结果 表明,模拟熔池与试验结果吻合良好,验证了模型准确性.第一层...     

高能激光与光电二极管热作用过程的温度分布

采用脉宽为毫秒的高能脉冲激光与PIN结光电二极管进行相互作用,建立了包含热源项的导热方程,并考虑了热物性参数随温度变化的情况.利用有限元方法计算了材料到达熔点前材料轴向和径向温度随时问和位置的变化规律,同时对相关物理过程进行了讨论.进而研究了热物性参量的变化对材料开始熔化时间的影响.结果表明,热传导将直接影响着整个相互作用过程,而材料热物性参数的变化亦将影响材料的熔化时间.     

GH4169合金单道多层SLM成形过程热行为分析

选区激光熔化(SLM)成形过程中,快速熔化凝固导致复杂的瞬态温度分布,熔池温度分布和冷却速率大小影响最终的凝固组织,从而影响零件成形性能.建立三维瞬态有限元模型,数值模拟GH4169合金单道多层SLM成形过程,研究瞬态的温度分布、熔池尺寸和冷却速率及不同线能量密度对单道多层SLM成形的影响.结果 表明:线能量密度为17...     

考虑熔池流动效应的选区激光熔化温度场模拟研究

利用有限单元法模拟选区激光熔化(selective laser melting, SLM)单道成形过程,建立热流耦合模型,考虑了固体金属材料性质随温度变化和相变过程,以及粉末间隙对材料性质的影响。利用焓-孔隙度方法模拟熔池凝固时的动量耗散,确定固-液相界面。根据能量守恒定律,在现有的圆柱体热源模型上,提出了旋转抛物体热源模型,并与传统高斯面热源模型选区激光熔化过程中温度分布和熔池尺寸的预测结果比较。结果表明,在试验激光能量密度研究范围内,旋转抛物体热源和高斯面热源模式下熔池宽度的平均预测误差分别为12.18%、7.07%。对于熔池宽度,高斯面热源的预测精度优于旋转抛物体热源。当激光能量密度为40～100 J/mm³时,旋转抛物体热源和高斯面热源模式下熔池深度的平均预测误差分别为17.00%和38.20%。对于熔池深度来讲,旋转抛物体热源预测精度优于高斯面热源。此外,研究发现考虑熔池流动效应作用下得到的熔池温度分布更加均匀。     

直接金属选区激光烧结热应力场有限元模拟

在考虑随温度变化而变化的热传导、比热容等热物性参数的作用下,建立了直接金属多道烧结的三维有限元分析模型。采用先进行温度场分析、再进行应力场分析的间接热力耦合策略。模拟结果显示,随着烧结过程的进行,由于已烧结部分的影响,最大热应力有减小的趋势;在扫描烧结道的前方有比后方更大的应力分布,这与实验结果相吻合。     

选区激光熔化激光功率对316L不锈钢熔池形貌及残余应力的影响

针对选区激光熔化(SLM)工艺参数的匹配性对成形质量的影响,选取三种激光功率在不同的扫描速度和扫描方式下进行实验,研究了激光功率对熔池形貌及残余应力的影响。结果表明:随着激光功率增大,熔池的几何尺寸和成形件中的残余应力均变大。这主要是因为在上述参数序列下,随着激光功率增大,热流密度增大,相同层厚与截面下的温度梯度增大,熔池温度升高,熔池尺寸变大,从而导致成形件熔融时的晶面夹角及晶界间距较大,进而产生了较大的热应力,成形件冷却凝固后的残余应力过大。在实际应用中,通过合理设计匹配的工艺参数,可以得到较适合的熔池几何尺寸(即较合理的温度梯度分布),从而减小热应力,进而减小残余应力,得到成形质量较高的SLM工件。     

激光烧结Si／Fe混合粉末材料的温度场有限元模拟

利用ANSYS工具建立了选择性激光烧结热电功能材料β-FeSi2的三维瞬态温度场有限元模型,模型中考虑了混合材料热物性参数随温度与孔隙率的变化和材料相变过程对温度场的影响。系统分析了选择性激光烧结二元粉末内部温度场随时间和空间的变化规律,通过该有限元模型可以分析二元粉末激光烧结过程中激光热能在粉床内部的传输规律。模拟结果表明,随烧结深度增加,粉床内部温度和温度梯度迅速衰减,粉床内部温度场在深度方向呈漏斗状梯度分布,粉层内部热影响区域最深的位置滞后于激光束中心。在已烧结区域,粉层内部存在一个均匀分布的高温体积区间。对此粉层区域温度的研究将为实验中控制烧结材料相变过程与性能提供依据。     

选区激光熔化316L不锈钢成形质量与晶粒形貌研究北大核心CSCD

选区激光熔化零件的性能与工艺参数影响的表面质量和内部缺陷是密切相关的,为了深入了解表面质量和内部缺陷与工艺参数之间的关系,以提高成形质量。通过研究不同激光功率和扫描速度制备的选区激光熔化样品的晶粒形貌、致密度和显微硬度。结果表明,随着激光功率的增大,熔池宽度逐渐增大,熔池轨迹更加清晰连续,致密度和硬度呈先增大后减小的趋势;随着扫描速度的增大,熔池宽度减小,熔池轨迹越来越无规则且不连续,致密度和硬度先增大后减小;选区激光熔化316L不锈钢样品均有奥氏体单相构成,不受激光功率和扫描速度的影响。另外,熔池宽度分别与激光功率、扫描速度符合二次多项式数学关系;xoy平面的晶粒尺寸要略小于yoz平面的晶粒尺寸,晶粒大小的差异导致显微硬度的不同,xoy平面上显微硬度都略大于yoz平面上硬度,产生各向异性;孔洞数量少的致密度相对较大,当致密度达到最大98.74%时,显微硬度也达到最大,xoy平面上硬度为227.5 HV,yoz平面上硬度为210.1 HV。     

基于ABAQUS的金属粉末激光直接烧结温度场模拟

金属粉末激光直接烧结成形是激光快速制造技术重要的发展方向。为了掌握激光烧结中熔池的加热和冷却规律及各烧结道之间的相互影响,综合考虑热传导、热辐射和热对流及变热物性参数,基于ABAQUS平台建立了移动热源作用下的三维瞬态金属粉末激光末激光多道烧结温度场的有限元模型,利用用户子程序DFLUX实现热源移动,通过定义潜热来处理相变的影响,以水雾化铁粉作为烧结材料进行了模拟,摸拟结果与先前实验结果吻合较好。同时模拟结果表明此计算模型有助于估计实验激光功率密度,烧结密度及烧结深度;并为后续的残余应力的精确计算做好了准备。     

激光弯曲成形数值模拟的研究进展

激光弯曲技术是最近十几年迅速发展起来的新型成形技术.它的基本原理可以归纳为:高能激光束扫描工件产生温度梯度极大的不均匀温度场,由此诱发的局部热应力超过了随温度变化的屈服应力,导致压缩塑性变形使得板料弯曲变形.通过调整激光工艺参数和扫描轨迹可以精确控制板料成形.数值模拟方法是目前解决问题的最佳手段.本文概要介绍了最近几年来有关激光弯曲成形的数学物理模型,并从激光热源模型、移动热源的模拟、边界条件的处理以及材料物性参数的处理等方面叙述了激光弯曲成形数值模拟的研究进展.文章最后对这一领域今后的发展提出了自己的看法.主要是建立真三维复杂曲面成形的数学物理模型,以及如何将多道扫描和曲线扫描数学化.(OE32)     

316L不锈钢粉末选区激光熔化成型致密化研究

为了研究选区激光熔化所加工的316L不锈钢成型件的致密度与工艺参量之间的关系,在自主研发的选区激光熔化成型设备DiMetal-280上,采用316L不锈钢粉末,用层间互错扫描方式以及不同扫描间距、扫描速率和扫描功率成型若干样块;在显微镜下观察样块形貌加以分析,并采用排水法测试样块致密度。结果表明,在合适工艺范围内,采用层间互错扫描方式有利于提高致密度;随着扫描间距的增大,熔道间搭接方式发生变化,致密度会减小;当扫描速率过小或过大时,致密度会减小;在加工初期时的实际铺粉厚度的变化也会导致致密度减小。该研究为进一步提高316L不锈钢选区激光熔化成型件的致密度奠定了基础。     

脉冲激光表面强化数值模拟及热物性参量影响

建立了包含脉冲激光束时空分布、依赖于温度的材料参量、组织演化历史以及多次相变特征在内的脉冲激光表面强化三维有限元模型。针对常热物性和变热物性并考虑相变潜热两种情况，温度场及其演化分别得到了解析解和通用有限元软件的验证，强化区层深和宽度得到了实验验证。研究了材料热物性对强化区的影响，得到了一定范围内强化区层深随材料热物性参量的变化规律，即：热传导系数不变时，强化区层深随热扩散率的增加而增加；比热容不变时，强化区层深随热扩散率的增加而减小；热扩散率一定时，强化区层深随热传导系数和比热容的增加而降低。以球铁、共析钢和巾碳钢为例，分析了两种确定材料热物性常数方法，即一定温度范围内的平均值法和选取奥氏体化温度附近参量方法的可行性，研究表明平均值法可以得到较好的结果。