激光选区熔化IN718合金的熔池演化过程数值模拟

采用离散元（DEM）与流体体积（VOF）相结合的方法,以IN718粉末的激光选区熔化（SLM）过程为研究对象,通过数值模拟和试验验证,研究了激光功率对熔池尺寸的影响,以及熔池演化和熔道形貌的形成机理。结果表明,随着激光功率增大,熔池尺寸逐渐增大,熔池连续性和尺寸均匀性增强,合适的工艺参数（P=200 W,v=1.5 m/s）会获得最佳熔道形貌;由温度梯度引起的表面张力梯度与蒸气反冲压力共同驱动了熔池的演化和熔道形貌的形成;优化层间旋转角（θ=67°）能够降低熔道两端孔缺陷出现的概率。     

选区激光熔化过程金属微熔池传热研究

采用数值模拟方法,针对选区激光熔化过程中激光熔化不锈钢粉末形成微熔池的过程,研究了激光功率、光斑直径及加热时间对材料熔化速度、温度场、微熔池尺寸大小的影响.结果表明,增大激光功率和热流密度可有效促进材料的熔化和传热,大尺寸光斑直径的激光形成的温度场和熔池宽而浅,小尺寸的光斑直径形成的温度场和熔池窄而深.比较多组数据得出...     

钨选区激光熔化应力场的数值模拟

建立了将随温度变化的材料参数特性和相变潜热考虑在内,用“生死单元”技术模拟铺粉过程的钨选区激光熔化热力耦合有限元模型,模拟了选区激光熔化过程中成形件的温度场和应力场,探究了不同基板预热温度和不同支撑结构对成形件残余应力的影响。模拟结果表明,金属钨在选区激光熔化过程中经历多次加热、冷却过程,温度分布不均匀。基板预热和施加支撑结构均能减小成形件的残余应力,当基板预热温度为1273.15K时,成形件中间节点残余应力减小118.99MPa,减小幅度为9.96%;当采用四层网格支撑结构时,成形件中间节点残余应力减小413.33MPa,减小幅度为34.61%。     

选区激光熔化Inconel 718合金的熔池形态与组织

通过不同扫描速度和扫描方式的选区激光熔化(SLM)技术制备了Inconel 718合金,研究了工艺参数对熔池的形态、凝固组织、晶粒大小和晶粒取向的影响。结果表明,随着扫描速度增加,熔池的深度与宽度的比值增大,曲率增大;而扫描速度为1 450mm/s时,采用单向扫描比十字交叉扫描时深宽比值更大。在熔池内,凝固组织由熔池底部的胞晶向熔池侧面的胞枝晶转变。晶粒以<001>方向择优生长,其晶粒间的取向差角以小角度(<15°)为主。当十字交叉扫描时,随着扫描速度增加,小角度取向差角的分布分数增加。当速度一定、采用十字交叉扫描时,小角度的取向差角占比为62.57%,而采用单向扫描时为47.69%。     

钛合金薄壁件选区激光熔化应力演变的数值模拟

建立了选区激光熔化(SLM)热-结构耦合瞬时动态有限元模型,探究了激光扫描速率和铺粉层厚度对SLM成形钛合金薄壁件应力演变的影响。结果表明,在热循环作用下,SLM成形钛合金薄壁件的应力演变呈周期性变化。在热应力循环去应力退火作用下,热应力极大值在加热阶段先增加后减小,最后在冷却阶段趋于稳定并接近残余应力。SLM成形薄壁件最终残余应力小于加热过程中的瞬时应力峰值。随沉积高度的增加,热循环作用减弱,应力极大值下降幅度逐渐减小。经过多次热循环去应力退火作用后,SLM成形薄壁件过程中的热应力极大值下降幅度可达30%以上。     

选区激光熔化成形过程监测技术研究进展EI北大核心CSCD

选区激光熔化(SLM)作为现代工业构件制造的一种主流技术,广泛应用于汽车、航空航天及医学等领域,对SLM工艺的监测及闭环控制方式进行系统梳理变得极为重要。针对SLM技术原理及熔池变化,从SLM成形过程中的熔池温度和形貌特征综述选区激光熔化监测技术发展进程及不足,分析闭环反馈技术的研究现状。研究表明:SLM加工过程中熔池的变化状态是影响成形件质量的重要因素,通过光信号、声信号或多信号传感器可对熔池状态进行有效监测,而闭环控制需要算法分析、机器学习及传感器的协同配合才能实现实时反馈及控制。根据当前监测技术的实时性较差及系统反馈控制不够完善等问题,提出未来智能监测技术与实时闭环控制等发展方向,可为未来SLM成形高质量零件提供参考借鉴。     

Ti6Al4V的激光选区熔化单道成形数值模拟与实验验证

为研究不同扫描特征参数组合对选区激光熔化(selective laser melting, SLM)表面形貌的影响,以316L不锈钢粉末为例,进行介观尺度的单层双道数值模拟研究.基于离散元法建立单层的粉床数值模型.使用流体体积法对粉床受热部分粉末的熔化过程中的熔化、流动和凝固过程进行计算.考虑激光功率、扫描速度和扫描间距3个扫描特征参数,设计并进行正交试验,从熔道形貌特征和熔道宽度2个方面研究所选扫描特征参数对成形件表面的熔道形貌影响.依据数值模拟中的参数进行实际打印及形貌观察试验,验证数值模拟的有效性.结果表明,在313 ~ 500 J/m的线能量密度和50 ~ 90 μm的扫描间距范围内,可以得到平整连续局部缺陷少的熔道形貌,且该区间内的参数组合依次线性对应;对熔道形貌的完整性影响由大到小依次为扫描速度、扫描间距和激光功率.     

电子束选区熔化热行为数值模拟的研究现状

电子束选区熔化成型件经历了复杂热历史,从而产生多尺度微观结构,热历史数据对于分析微观组织形成有重大作用。复杂的微熔池冶金行为导致温度-时间-空间数据难以通过实验手段获得,数值模拟技术作为一种新的技术手段,为解决该问题提供了新思路。本文从温度场数学理论基础、仿真流程、热-力耦合模拟、熔池热力学模拟、及热缺陷机制几个方面综述了电子束选区熔化热行为数值模拟的研究现状,对电子束选区熔化热行为数值模拟存在的挑战和未来前景展开了论述。     

激光选区熔化WC 12Co复合材料温度场模拟研究北大核心CSCD

为提高激光选区熔化WC 12Co硬质复合材料的成形质量,采用有限元仿真软件Ansys 2021R1对SLM成形WC 12Co硬质复合材料过程的温度场进行数值模拟仿真研究,研究成形温度场的温度分布和成形工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距和基板预热温度)对温度场的影响,为优化WC 12Co硬质复合材料成形提供试验依据。结果表明:激光功率增大,成形区域温度增大,位置点3的峰值温度从3507.47℃增大至3837.52℃;激光扫描速度增大,成形区域温度降低,位置点5的峰值温度从3592℃下降至2897℃,峰值温度下降695℃;扫描间距的增加使各扫描区域的温度有所降低,位置点3的峰值温度从3330℃逐渐降低至3123℃。在同一成形工艺参数下,激光扫描前一路径对后一路径有预热作用,随着扫描路径的增加,成形区域的温度呈现逐渐上升趋势。基板预热至120℃能够提高熔池的内部温度,减小成形件之间的温度差异,缩小温度梯度差。当激光功率增大时,熔池的宽度和深度随之增大;当激光扫描速度增大时,熔池的宽度先增大后减小,熔池的深度线性反向减小;当扫描间距增大时,熔池的宽度和深度均减小。模拟获得的温度场仿真结论能够大致反映成形试样的表面质量和合金粉末的熔化状态随成形工艺参数变化的趋势。     

AlSi10Mg粉末激光选区熔化残余应力场数值模拟

使用有限元法对AlSi10Mg激光选区熔化残余应力场进行模拟。建立有限元传热模型,将激光热源视为三维高斯体热源,实现在粉床上的移动加载,分别从材料的粉末态与实体态两种单元属性出发,考虑热物性参数和激光能量吸收率随温度变化的特性,进行间接热-应力耦合分析,重点研究激光功率、扫描速度及基板预热温度对残余应力场的影响规律。结果表明:残余应力最大值出现在基板与粉床接触位置,且y向残余应力(平行扫描方向)大于x向残余应力(垂直扫描方向);Von Mises等效应力和y向残余应力随激光功率的增大逐渐增大;随扫描速度的增大逐渐减小;随基板预热温度的升高逐渐降低。     

激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟

目的 提高激光内送粉变姿态熔覆层成形质量,对变姿态熔覆时非水平熔池流场随基板倾斜角的演变规律进行研究。方法 首先,利用FLUENT软件中离散相模型对喷嘴流场进行模拟,获取粉末频次的分布规律。其次,采用流体体积法耦合熔化/凝固模型对熔池流场进行计算。通过施加质量源项引入同步送粉,施加能量源项模拟激光热输入,选取姿态角为30°、60°、90°进行计算,对熔池流场及熔覆层界面进行追踪分析。最后,基于激光内送粉熔覆工艺进行实验测定。结果 粉斑内粉末量呈“中间均匀,两端密集”的分布规律。熔池流动为“双环流”分布特征,但流动方向受重力影响,产生偏转。取3种姿态角计算时间同为0.3 s时,熔池中心处流体的偏转角分别为2°、4°、6°,并且随着倾斜角的增大,熔覆层高度分别增加了0.28%、0.83%、1.45%,熔覆层宽度减小了1.19%、1.28%、1.73%,熔覆层顶点偏移量增大到48.08、86.54、105.76 μm。最后结合实验测定,数值计算与实验结果一致。结论 Marangoni应力使得激光内送粉熔覆熔池流体产生由中心向边界流动的“双环流”分布特征,非水平熔池流动方向受重力影响产生偏转。随着基板倾斜角增大,熔覆层截面高度增加、宽度降低、顶点偏移量增加。为提高不便摆平非水平基面的激光内送粉变姿态熔覆再制造成形质量提供了指导。     

激光熔覆熔池动态演化及缺陷工艺调控研究进展

激光熔覆是一种高能束增材修复技术,具有热影响区小、组织性能可控性强、材料选择范围广等系列优势,目前已广泛应用于能源动力等领域关键金属构件的增材制造成形与受损零部件的修复再制造中。激光熔覆是以“激光”为热源的能量沉积技术,包括高能激光束冲击、表面熔池熔化快凝及熔覆表面层形成等多种物理、化学过程,其中熔池内金属热流体动力演化行为与熔覆层缺陷及表层组织性能调控密切相关。金属熔池具有“急热骤冷”的凝固特征,其内部对流、传热和传质等行为决定了熔覆层中温度及应力分布状态,是诱导熔覆层内气孔、裂纹等组织内部缺陷形成的关键因素。从激光熔覆过程中熔池内部对流、传热与传质的动态物理特性出发,论述了激光热源的理论模型设计、动态熔池中“流场+温度场+应力场”的多物理场数值模拟等方面的相关研究。在此基础上,分析了激光熔覆层典型缺陷-裂纹和气孔的形成机理及特征,总结了“材料-工艺-熔凝行为-涂层缺陷”的内在关联机制。同时,针对单一工艺方式调控熔池内熔凝过程的局限性,概述了多种复合能量场调控技术对熔覆层内部缺陷的作用机制与调控效果。最后,总结了当前激光熔覆层缺陷动态形成过程中存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。     

电渣熔铸过程电流大小对金属熔池影响的数值模拟研究

电渣熔铸过程中,金属熔池深度直接影响熔铸件的结晶,从而影响钢锭的质量。本文借助大型通用有限元软件AN-SYS,对不同电流大小时的金属熔池进行了模拟研究,得出金属熔池深度与电流大小之间存在一次线性函数关系的结论。模拟结果与实验值吻合较好。运用此模型可预报金属熔池状况,指导实际生产。     

激光熔覆熔池检测控制技术的研究进展

激光熔覆是近年来蓬勃发展的新型制造技术,很多研究试图从激光熔池的检测入手来提高激光熔覆工艺的自动化程度,进而提高生产效率。针对同步送粉激光熔覆工艺中熔池检测控制技术近年来的研究状况进行了综述。首先介绍了各种类型的检测设备及其安装方法;其次介绍了熔覆工艺参数对检测信号的影响及熔池检测信号同熔覆质量之间的关系;然后介绍了基于熔池检测技术的激光熔覆闭环控制系统;最后认为目前的熔池检测控制研究中,熔池中的有效信息还可进一步挖掘,以提高熔覆质量、自动化程度及生产效率。     

激光熔覆熔池温度场及流场数值模拟研究进展

简述了激光熔覆熔池的受力,包括表面张力、黏性剪力、重力以及保护气压力等,并从组织生长和熔池流淌对熔覆层的形成机理作了简要分析。同时,对激光熔覆仿真模拟中采用的不同热源模型的能量分布规律和方程进行了归纳,包括表面高斯热源、表面环形热源、高斯体热源、椭圆球热源、组合体热源等。在此基础上,分类评述了近年来国内外激光熔覆熔池温度场及流场的数值模拟方面的研究进展,并分析了各种热源模型的优势及不足,总结了不同热源的适用环境及获得的温度场、流场分布规律。此外,对熔池自由液面的研究方法进行了总结,归纳了温度场流场数值模拟模型的验证方法。同时,针对激光熔覆熔池数值模拟研究存在的问题,分别从数值模型、边界条件等方面进行了归纳,最后对其未来的发展方向进行了展望。     

激光熔覆熔池图像检测研究

针对激光熔覆系统建立了熔池图像采集系统,并对采集的熔池图像进行处理,获得了熔池的面积。利用该检测系统研究了不同激光功率、扫描速度、送粉率条件下的熔池图像变化规律。同时,研究了不同工艺参数条件下,熔池图像与熔覆质量之间的关系。     

超声对激光熔覆成形中熔池润湿行为的影响研究

目的 对比有无超声作用下熔体润湿行为,阐明超声对于熔体润湿行为的影响及作用机制,为超声辅助激光熔覆高质量成形提供参考。方法 基于高速相机拍摄研究了超声对于液滴润湿性的作用效果,进而研究了超声辅助激光熔覆过程中熔池的润湿行为,使用Canny算法提取熔池轮廓,采用体视显微镜和共聚焦显微镜观察试样宏观形貌,采用光学显微镜观察分析微观组织。结果 将超声振动施加于金属液滴,其在基板表面润湿性增强,金属液滴与基板接触面积增大39.3%。在熔覆过程中引入超声振动,熔池面积显著增大。随着超声功率比的增强,熔覆层的熔高降低,熔深减小,熔宽逐渐增大,熔覆层逐渐由弧形轮廓变为扁平。当超声功率比为80%时,熔覆层高度为无超声下的75.2%,熔覆层和基体之间的润湿性显著改善。在微观形貌上,超声能够改变晶粒生长方向,抑制枝晶外延生长。结论 超声振动作用于激光熔覆过程中,促进了熔体的润湿作用且加大了熔池流动性。熔体润湿行为的改变导致扁平熔覆层形状的形成,熔覆过程中熔池面积增大,熔池流动性增强,导致晶粒生长方向与枝晶长度的改变。     

选区激光熔化成形TiC/Inconel 718复合材料热物理机制研究

建立了TiC/Inconel 718复合材料体系选区激光熔化三维有限元模型,在考虑了相变潜热,热传导/对流/辐射多重传热机制和随温度变化的热物性参数条件下,使用ANSYS二次开发语言APDL实现了高斯激光热源的移动,并利用“生死单元”完成了多层多道的能量加载。研究表明：温度变化率与工艺参数 (激光功率和扫描速度) 存在正对应关系,最高可达7.03×106 °C/s。当扫描速度过快 (300 mm/s) 或激光功率过低 (50 W) 时,获得的熔池温度低 (1991 °C),液相存在时间过短 (0.29 ms),而且液相量少,粘度大,不利于液相金属在粉末间隙中的铺展和润湿,易于在制件中形成不规则孔洞,增加制件孔隙率;在优化的工艺参数下：P = 100 W, v = 100 mm/s,重熔深度 (15.1 μm)、重熔宽度 (35.0 μm)、液相存在时间 (1.2 ms)、熔池最高温度 (2204 °C) 和温度变化率均较为合适,易于获得冶金结合良好的SLM制件。对TiC/Inconel 718混合粉末进行了选区激光熔化实验,验证了模拟结果的正确性。     

熔滴在基板上的铺展及凝固过程的三维数值模拟分析

对于基于熔滴沉积的3D打印成形再制造技术,熔滴在基体上的动态铺展过程及伴随此过程中的温度变化情况直接影响到成形形貌及质量。基于有限体积数值模拟方法,建立了熔滴在基板上铺展及凝固过程的三维数值分析模型。采用流体体积比函数(VOF)法追踪熔滴自由界面的动态变化过程,用焓-多孔介质法处理熔滴凝固相变问题,用连续表面张力模型将表面张力处理为体积力源项。利用所建立的模型,计算分析了单个高温熔滴在基板上的碰撞中熔滴自由界面及温度的动态变化过程,以及熔滴凝固后的最终形态。通过比较熔滴界面动态变化过程的模拟计算结果与试验结果,证实所建立的模型是可靠的。