马氏体时效钢激光选区熔化成形过程介观尺度数值模拟

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)成形过程涉及多种发生于介观尺度下的物理现象,采用试验方法难以揭示物理现象复杂的形成规律。以18Ni-300马氏体时效钢为SLM成形材料,采用离散元法与有限体积法建立了SLM成形介观尺度热流耦合数值模型,并结合熔道成形试验验证模型的正确性。结合数值模拟揭示激光功率从60 W增加至270 W时单道SLM成形熔道形貌、熔池尺寸与温度、传热机制等熔池行为的基本特征;研究在0.2 J/mm、0.3 J/mm和0.45 J/mm线能量密度下不同激光功率和扫描速度组合对熔道形貌、熔池尺寸与传热机制的影响规律;结合熔道搭接理论模型计算激光功率180 W和扫描速度600 mm/s组合下无搭接缺陷的扫描间距理论临界条件约为83μm,并研究80μm、100μm和120μm扫描间距下多道多层SLM成形熔道搭接行为和演变规律。该模型可用于筛选工艺参数区间,提高工艺优化效率,为单层/多层成形的工艺试验提供指导。     

基于熔池动态特征的金属激光熔化沉积形状精度演化行为研究

针对金属激光熔化沉积成形质量影响机制与过程特征不明确所导致的质量可靠性与效果重复性较低、自适应控制困难等问题,采用同轴实时监测的方法,对不同金属激光熔化沉积工艺条件下的熔池动态特征进行监测,揭示不同熔池动态特征对形状精度演化行为的影响机制。以典型沉积工艺为研究对象,单道单层沉积中熔池几何轮廓和边缘熔融过渡区域面积与沉积层表面质量和宽度稳定性直接相关;单道多层堆积中的熔池几何轮廓与尾部特征对薄壁件壁厚变化有重要影响;多道单层搭接中熔池宽度的累加与粉末利用率的变化导致了传统搭接模型最优搭接率下表面搭接质量的下降;单道多层偏移堆积中的熔池塌陷与沉积层两端熔池面积可直接反应极限偏移与两端倾斜的演化过程。结果表明,通过熔池动态特征可以揭示金属激光熔化沉积中关键形状精度的演化行为,并建立新的形状精度模型,为后续激光熔化沉积工艺路径设计及实时反馈优化提供重要支持。     

选择性激光熔化成形温度场模拟与分析

在316L不锈钢的选择性激光熔化(SLM)三维成形过程模拟中,针对目前普遍采用单层热源加载进行模拟的局限性,采用ABAQUS软件建立了一个三维多层有限元模型来解决此问题。主要研究了在成形过程中,激光功率和扫描速率对粉床热行为的影响,在软件子程序中考虑了材料的粉末-液态-实体状态变化、相变潜热的影响,同时实现多层铺粉以及多层热源的加载。模拟结果表明:多层扫描中,随着扫描时间的增加,单层熔池的温度越来越高,熔池三维尺寸也逐渐增加,第二层比第一层粉床中心位置处的温度增加0.04%,熔池的宽和高分别增加1.33%、29%,第三层比第二层粉床中心位置处的温度增加0.02%,熔池宽和高分别增加1.35%、25.8%;成形过程中,熔池前端的温度梯度较大,随着线性能量密度(LED)的增加,熔池的温度和三维尺寸也逐渐增加。功率比扫描速率对粉床热行为的影响大,能量密度的范围在1.5~2.5 J/cm时,成形件的质量较好。     

选区激光熔化工艺参数对Ti6Al4V粉末成型性的影响

以Ti6Al4V钛合金粉末为研究对象,在单层扫描和单道扫描实验的基础上,研究SLM工艺参数对Ti6Al4V合金材料成型性的影响,并进行了块体成型实验,通过设计正交试验及观察试样的形貌和致密度分析,最终得到Ti6Al4V合金粉末SLM块体成型的最佳工艺参数为:激光功率400W、搭接率1、扫描速度750mm/min,其致密度可以达到96.17％.     

选区激光熔化工艺参数对Ti6Al4V粉末成型性的影响（英文）

以Ti6Al4V钛合金粉末为研究对象,在单层扫描和单道扫描实验的基础上,研究SLM工艺参数对Ti6Al4V合金材料成型性的影响,并进行了块体成型实验,通过设计正交试验及观察试样的形貌和致密度分析,最终得到Ti6Al4V合金粉末SLM块体成型的最佳工艺参数为:激光功率400W、搭接率1、扫描速度750mm/min,其致密度可以达到96.17%。     

反冲压力作用下激光选区熔化熔池热动力学行为

激光选区熔化(SLM)过程中,金属蒸发产生的反冲压力会改变熔池的热力学行为,导致零件缺陷。以316L不锈钢粉末为对象,通过数值模拟和试验测试,分析了不同激光工艺参数下反冲压力对熔池温度场和速度场的影响规律。其中,数值模型基于VOF多相流原理,充分考虑金属蒸发的反冲压力,同时结合了界面追踪热源模型。结果表明:固定激光线能量密度为300J/m时,较大的扫描速度(1.0m/s)会得到沿扫描方向更大范围的熔池,也会产生更深的凹陷;当激光扫描速度一定时(1.0m/s),熔池凹陷深度随激光功率增大而增大;并且凹陷深度越大,熔池深度越大,但沿扫描方向的熔池范围、熔化道表面形貌和宽度变化不大。     

激光参数对Ti-6Al-4V粉末SLM成形质量的影响

为了在金属3D打印产品中获得合适的加工参数,提高金属成形件的产品性能,利用有限元方法对Ti-6Al-4V粉末激光选区熔化（SLM）成形进行模拟。以APDL编程语言建模,逐步施加热源获得成形件的温度场,通过熔池演变研究了Ti-6Al-4V粉末SLM成形过程中材料接合情况;以温度场为载荷研究了SLM成形的应力场和位移场。结果表明：激光扫描速度保持恒定,激光功率增大,熔池的长度、宽度、深度均增大;激光功率保持恒定,扫描速度增大,熔池的长度变大,宽度和深度变小。最后获得了一组能够较好地满足成形需求,成形件不易产生翘曲和开裂的激光参数。     

微型器件选区激光熔化成形温度场的有限元分析

为选择合适的工艺参数实现微型器件的选区激光熔化直接成形,利用ANSYS有限元软件对成形过程的温度场进行了分析。结果表明,温度场的形貌大致呈椭圆形,熔池位置滞后于激光光斑位置,粉末层最高温度、熔池最大宽度和深度均随着扫描速度的增加而减小、随着激光功率的增加而增大。根据分析结果选择合适的工艺参数,当光斑直径为50μm、粉末层厚为30μm、激光功率为200W、扫描速度为800mm/s和扫描间距为100μm时,成形的效果最好,制备出了具有较高精度和物理性能的微型钻头。     

激光钎焊多层金刚石磨粒Ni-Cr合金成形工艺研究

为实现多层金刚石磨粒逐层激光钎焊成形,从单道扫描到单层扫描,再到多层扫描,系统研究了镍铬合金与金刚石磨粒的多层激光钎焊工艺。通过提取钎焊道与层的截面成形特征参量,对钎焊层截面成形质量进行参数化评价,并结合钎焊层表面形态,对钎焊层综合成形特性进行评价和讨论,研究了工艺参数对钎焊成形的影响。研究结果表明：激光功率与扫描速度是影响钎焊成形的重要因素,不仅影响着合金粉末的熔合程度、熔池宽度,还影响金刚石的分散状态和钎料对金刚石的浸润包裹性,最终影响钎焊层的平整性。当道与道之间的搭接率为30%~40%时,钎焊成形质量较好。在采用逆向扫描策略,扫描道数为10、固定激光功率为700 W、扫描速度为15 mm/s、光斑直径为1.5 mm、搭接率为30%的条件下,实现了多层磨粒的激光逐层钎焊成形,钎料对金刚石浸润包裹充分,钎焊层中间区域平整连续,整体成形质量好。     

激光熔覆镍基碳化钨工艺研究

利用IPG光纤激光器YLR-3000激光加工系统,探究45#钢表面多道激光熔覆自熔性镍基碳化钨粉末最佳工艺参数。首先通过改变单因素变量,得出单道激光熔覆时最佳激光功率、送粉电压和扫描速度,进一步确定离焦量和搭接率的选取,最后进行激光熔覆梯度涂层实验。单道实验中最佳工艺参数为激光功率1200W、送粉电压7V、扫描速度2mm/s,离焦量3mm,表面洛氏硬度(HRC:60)是基体(HRC:22)的3倍;当Ni60A粉末作为底层材料时,平均洛氏硬度是基体(HRC:22)的2.5倍,熔覆层厚度均匀且熔池深度基本保持不变,第一道与最后一道熔覆层的高度差仅为0.10mm,当Fe基合金粉末作为底层材料时,高度差0.28mm;熔覆层组织晶粒的形状在扫描方向上呈现出逐渐增大,熔覆层底层与上层冶金结合很好,其组织晶粒过度连续;熔覆层上层显微硬度分布均匀,约是基体的3倍。激光熔覆梯度涂层材料且上层材料为自熔性镍基碳化钨粉末时,底层材料选择Ni60A粉末,得到的涂层成形质量更佳,最佳工艺参数为激光功率1200W、送粉电压7V、扫描速度2mm/s、离焦量3mm、搭接率25.47%。     

Select laser melting of W–Ni–Fe powders: simulation and experimental study

Using W, Ni, and Fe powders as raw materials, selective laser melting (SLM) technology was considered for fabrication of 90W–7Ni–3Fe parts in one step. The investigation into simulation of temperature field of SLM W–Ni–Fe powder system was highlighted. Effects of processing parameters of scan velocity, laser power, scan interval, and preheating process on temperature field distribution were studied through establishing a 3D model based on finite element analysis theory. The simulation results show that a lower thickness, narrower scan interval, and a slower scan velocity tend to improve the temperature in powder bed. Moreover, the parameter range in which the maximum temperature in powder bed could reach up to the melting point of W (about 3,420°C) was obtained. Experiments on different processing parameters were carried out, and a good agreement with the simulation results could be found.     

高沉积率激光金属沉积Inconel 718的孔隙率控制

为降低高沉积率激光金属沉积(Laser Metal Deposition,LMD)工艺中材料的孔隙率,研究了以镍基高温合金Inconel 718(IN718)为粉末沉积材料的高沉积率LMD工艺中主要工艺参数对材料孔隙率的影响,以及通过调整工艺参数降低材料孔隙率的方法。以目标沉积率为2kg/h的LMD工艺为基础,通过参数固化和分离的手段开展了高沉积率LMD的镀层实验,研究了主要工艺参数即激光功率、扫描速度及送粉量对LMD镀层材料孔隙率的影响,分析了不同参数下各镀层的横截面孔隙率及镀层孔隙率。实验显示:当激光功率从1 440 W增加到4 214 W时,镀层材料的孔隙率从约1.5%降低至0.02%左右;当扫描速度为500mm/min至5 000mm/min时,镀层材料孔隙率始终保持为0.07%至0.18%左右;当送粉量从0.64kg/h增加至6.48kg/h时,镀层材料孔隙率从约0.01%增加至0.84%左右。可见在高沉积率LMD工艺中,扫描速度对材料孔隙率无明显影响,而提高激光功率、限制送粉量均可有效降低LMD材料孔隙率,提高横截面孔隙率的一致性。     

激光反应熔覆碳化物陶瓷涂层温度场的有限元模拟

利用ANSYS软件建立预置式粉层激光反应熔覆的数值模拟模型,考虑了相变潜热、辐射对流散热、表面效应单元等因素的影响;在不同的工艺参数下,用该模型对激光反应熔覆碳化物陶瓷涂层温度场进行了计算,分析了整个激光加工过程中温度场的变化情况。结果表明:激光功率和扫描速度对基体熔化厚度以及熔覆层宽度的影响都比较显著;激光功率是造成熔覆层较大温度梯度的主要因素;有限元模拟得到的最佳工艺参数得到了试验验证。     

Laser-arc hybrid welding of wrought to selective laser molten stainless steel

Selective laser melting (SLM) is a successful tool-free powder additive technology. The success of this manufacturing process results from the possibility to create complex shape parts, with intrinsic engineered features and good mechanical properties. Joining SLM steel to similar or dissimilar steel can overcome some limitations of the product design like small dimension, undercut profile, and residual stress concentration. In this way, the range of applications of the SLM process can be broadened. In this paper, the hybrid laser welding of selective laser molten stainless steel was investigated. A high-power fiber laser was coupled to an electric arc and austenitic stainless steel wrought and SLM parts were welded together. The power and speed parameters were investigated. The joints were analyzed in terms of weld bead profile, microstructure, microhardness, and tensile test. The efficiency of the welding process was evaluated through the line energy input versus the weld molten area.     

Finite element modeling of heat transfer in single and multilayered deposits of Ni-WC produced by the laser-based powder deposition process

The localized high-energy input and high-cooling rate inherent in the laser-based powder deposition (LBPD) process yield deposits with superior mechanical and metallurgical properties. However, these characteristics induce thermal stresses within the deposited material that subsequently lead to cracks. This tendency is predominant in the LBPD of metal–ceramic composite materials such as nickel (Ni) and tungsten carbide (WC). In this study, the thermal behavior of single and multilayered compositionally graded Ni-WC composite material during LBPD is studied using an experimentally verified three-dimensional finite element model. The model incorporates both directional- and temperature-dependent material properties. The effect of the mass fraction of the reinforcement, laser power, scanning speed, powder flow rate, and preheating temperature on temperature, temperature gradient, cooling rate, and molten pool evolution are investigated. The distribution and dissolution of WC in Ni-WC deposits are analyzed in the light of the scanning electron microscope, energy-dispersive spectroscopy, and microhardness distribution. The dissolution of WC in the molten Ni varies based on the mass fractions of the Ni and WC and the prevailing thermal conditions such as molten pool temperature and cooling rate. Experimental and numerical results confirm that the desired composition gradient can be achieved in a multilayered Ni-WC composite material deposit by adjusting the laser power. The developed heat transfer analysis may be used to select the suitable process variables needed to achieve the desired properties in the LBPD of single and multilayered Ni-WC composite material.     

氮化硅陶瓷球研磨去除机制试验与仿真研究

为研究研磨过程中氮化硅陶瓷球的材料去除形式及磨损行为,结合陶瓷材料动态压痕断裂力学理论,进行陶瓷球研磨加工试验,采用超景深三维显微镜和扫描电镜对研磨后陶瓷球表面进行观察,同时建立单颗金刚石磨粒冲击作用有限元模型并进行仿真研究。试验结果表明:氮化硅陶瓷球表面材料去除以脆性断裂去除和粉末化去除为主,陶瓷球表面残留有大量贝壳状缺陷和呈簇状随机分布的粉末化材料区域;研磨过程中,陶瓷球表面存在擦伤、划伤和凹坑等缺陷;磨粒冲击作用时,表面材料会受微切削作用产生破碎去除,同时也会受挤压作用产生脆性断裂去除,当磨粒以滚动方式作用在陶瓷球表面时,陶瓷球表面更容易形成粉末化去除,且材料去除率更高。仿真结果表明:各磨粒冲击作用方式产生的最大等效应力由大到小的顺序为滚动磨粒变切深、滚动磨粒定切深、磨粒挤压、滑动磨粒定切深,其中,滚动磨粒变切深产生的亚表面裂纹最深。     

选区激光熔化快速成形系统的关键技术

研究激光、铺粉、扫描三个重要选区激光熔化子系统的技术要点。通过计算成形过程所需激光能量,确定激光器的选用。研究表明成形升降台的连续下降精度、铺粉辊的回转偏心量及径向跳动量都对实现最小铺粉厚度控制有着重要影响。结合扫描速度对比试验,分析扫描系统的扫描特征,认为采用快的扫描速度是选区激光熔化工艺的一个重要特点,此外应采用合适的扫描策略克服热变形。在上述研究基础上,采用铜基合金粉末进行三维金属实体成形试验,试验分析表明,成形实体是一个由等轴晶和枝晶组成,相对密度达95%,具有冶金结合组织的金属实体,尺寸精度为±0.5 mm。所获得的成形实体多层断面构造、铺粉、扫描特征等信息可证实部分技术要点分析。