基于选区激光熔化铜合金温度场的粉末层厚调控研究

在选区激光熔化(SLM)加工过程中，粉末层厚是选区激光熔化加工中重要的调控参数之一，合理的粉末层厚既可以提高成型质量又可以提高成型效率。基于SLM温度场模型，研究了温度场运动动态过程，预测了温度场温度和熔池大小，并且定量分析了粉末层厚对温度场温度和熔池大小的影响，研究表明：粉末层厚对温度的影响较小，对于熔池长度的影响相对于熔池宽度和深度更为明显。     

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。     

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。     

基于有限元的选择性激光熔化薄壁成型的熔池研究

本文主要通过有限元研究了选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)加工薄壁过程中的热行为。分析了不同扫描速度及激光功率对熔池尺寸的影响,并与实体加工进行了对比。研究发现,熔池的宽度及深度随激光功率的增加而增加,随扫描速度的提高而减小;熔池的长宽比随功率增大和速度的增大而增大。并且发现,实体加工和薄壁加工中,熔池的宽度与深度在同样工艺参数条件下差别不大,但熔池的长宽比有明显差别,薄壁加工长宽比更大,因此更容易发生球化现象。     

选区激光熔化温度场仿真及温度调控研究

在选区激光熔化(SLM)加工过程中，温度对工件的成形质量具有决定性的作用，而温度取决于加工工艺。因此，针对铜合金加工的温度问题，建立了铜合金温度场三维有限元仿真模型，研究了不同工艺参数对温度场温度的影响，为铜合金加工的工艺调控提供理论基础。基于温度场仿真模型，本文分别研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、粉末层厚对温度场的影响，研究表明：熔池的温度随着激光功率的增加而增加，随着扫描速度的增加而减小，扫描间距和扫描层厚对温度场的温度会有一定的影响，但是影响非常小。     

选择性激光熔化成形Ti_6Al_4V钛合金的滚动接触疲劳性能研究

选择性激光熔化技术(SLM)可直接成形出传统方式加工工序复杂周期长甚至无法加工出的复杂零件,是增材制造(3D打印)领域最具有应用前景的技术之一。目前针对该技术的研究主要集中在拉伸、压缩等静力学方面,而许多应用场合下,动力学性能也有要求。以钛合金(Ti-6Al-4V)粉末为试验材料,对不同后处理下的SLM件进行了滚动接触疲劳性能研究。结果表明,粗糙度和硬度是影响SLM件滚动接触疲劳性能的主要因素,抛光处理和热处理能提高滚动接触疲劳寿命;粗糙度较大时SLM钛合金测试件主要是磨损失效,粗糙度较小时主要是材料脱落失效。     

焊接参数对304不锈钢激光焊接温度场分布特征的影响

采用红外热像测量的方法,跟踪拍摄304不锈钢激光焊接的过程,研究激光焊接参数对304不锈钢焊接温度场特征的影响。试验结果表明,激光功率一定时,随焊接速度的减小,熔化区域的长度和宽度增大,但温度场分布的基本特征未变;焊接速度一定时,随激光功率的增大,焊缝正面温度场的整体温度升高,特别是熔池后端次高温区的温度显著升高和面积显著增大,但温度场分布的基本特征未变;输入线能量相近时,高功率/高速度组合的“小孔”区域温度较高,低功率/低速度组合的次高温区域的温度较高、面积较大,但是后端焊缝区域的温度较低。     

激光止裂过程中温度场数值模拟研究

以含裂纹的304不锈钢紧凑拉伸试件作为研究对象,研究利用激光技术对裂纹尖端止裂的新方法。基于有限元分析软件ABAQUS建立了激光止裂温度场数值模型;通过与实验对比,验证了304不锈钢裂纹尖端激光止裂温度场模型的准确性;分析了不同工艺参数下激光止裂熔池形状和温度分布情况,结果表明:熔池深度和宽度随着激光功率的增大同步增大,随着加热时间的增加同步增大,随光斑直径的增大同步减小;熔池形状相对光轴中心成对称分布;熔池各层面上的最高温度点均位于光束中心处。     

激光选区熔化单道扫描与搭接数值模拟及试验

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)单道扫描的数值模拟,在数值建模时多采用规则实体模拟铺设的粉末层,通过等效定义材料热物理属性模拟铺设粉末层中粉末与气体共存的情况,难以模拟粉末颗粒的随机性而带来的扫描结果的随机性,且难以分析熔池形貌、内部缺陷的微观衍变过程。针对SLM成形过程中激光功率和单道搭接率对扫描单道和单道搭接质量的影响,以316L不锈钢材料为例,建立SLM首层单道扫描与单道搭接数值模拟模型。SLM的铺粉过程在基于离散单元法的EDEM中建立,并得到数值化的粉床几何模型。SLM的单道扫描与搭接的模拟基于有限体积法,在FLUENT中实现,采用两相流模型与熔化/凝固模型捕捉熔池形貌变化过程,得到不同激光功率和扫描搭接率下成形单道与单道搭接的数值模型。最后结合试验表明了在100～300 W激光功率下成形单道表面形貌与缺陷的形成,当激光功率为100～150 W时,单道形貌不规则,且容易形成局部缺陷;在200～300W功率下,激光功率越大,保证搭接质量的最低搭接率越小,当激光功率为250 W时,应保证单道填充间距不大于0.1 mm。研究成果对SLM工艺参数...     

后处理对激光选区熔化成形Ti-6Al-4V钛合金力学性能的影响

采用激光选区熔化技术直接成形Ti-6Al-4V钛合金静力试验件,对部分试验件进行热处理或热等静压处理,并对三种状态的部分试验件进行表面打磨,通过试验对比研究了热处理/热等静压、表面处理等后处理工艺对激光选区熔化Ti-6Al-4V力学性能的影响。采用光学显微镜和扫描电镜对不同状态试验件的微观组织和断口形貌进行了观察,分析力学性能变化的原因。热处理和热等静压后,激光选区熔化Ti-6Al-4V钛合金试验件的极限强度有所下降,但延伸率提高约50%,韧性增强。表面打磨处理使热等静压态试验件屈服和极限强度均提高了约30 MPa,但未引起沉积态和热处理态试验件力学性能的明显改变。     

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。     

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%。     

铁基材料熔池温度场计算及对送粉速度的影响

采用激光熔覆快速成形制造过程中多管同轴送粉的金属3D打印机,研究小功率熔融増材制造过程中的熔池温度场;采用镜像热源函数法对点热源持续移动加热的温度场公式进行理论推导,并仿真绘制温度场图形;通过红外热成像技术实际验证,证明了烧结过程中温度场特性与理论相吻合。系统分析温度场对送粉速度的影响,以铁基合金粉末制作齿轮为例进行单层制造实验,通过制造温度场的变化计算分析,结果表明:光斑能量在激光器焦距位置时温度场最稳定,能获得较好喷粉量;送粉速度趋于一定值0.1r/min时,成形效果最好。     

TC4钛合金单道激光熔覆的工艺研究

为了得到TC4(Ti-6Al-4V)钛合金单道激光熔覆的最佳工艺参数组合,在TC4钛合金表面熔覆Ni60A粉末。采用IPG光纤激光器和同轴送粉系统进行激光熔覆实验,找出激光功率、送粉电压和扫描速度对熔覆层外观几何尺寸的影响规律以及对表面硬度、显微硬度和微观组织质量的影响,通过相互分析对比,找到一组最佳的工艺参数组合。当激光功率500W、送粉电压12V、扫描速度2mm/s时,得到的单道熔覆层外观形貌平整,表面硬度和显微硬度最高,并实现了良好的冶金结合。     

工艺参数对选区激光熔化成形可降解纯锌相对密度及力学性能的影响

采用选区激光熔化(SLM)技术制备纯锌,研究了激光功率和扫描速度对其相对密度和力学性能的影响。结果表明:随激光功率增大或扫描速度减小,SLM成形纯锌的相对密度和硬度增大,显微组织均为平行于成形方向生长的柱状晶;SLM成形纯锌的最佳工艺参数为激光功率100 W、扫描速度300mm·s-1,所得试样的相对密度达99.86%,硬度为(44.7±1.2)HV,弹性模量、断后伸长率、抗拉强度、屈服强度分别为(48.6±2.4)GPa、(8.9±0.7)%、(95.5±3.3)MPa、(67.1±0.4)MPa。     

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%。     

钛合金激光直接成形过程中热力耦合场的数值模拟

为控制成形过程的热应力,根据有限元法中的生死单元技术,利用ANSYS参数化设计语言编程实现对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场和应力场的数值模拟,并对熔池与粉末、激光与粉末的相互作用进行能量补偿,更加准确地计算成形过程中温度场和应力场的动态变化,得到成形过程中模型温度场、温度梯度、热应力场和残余应力的分布规律.结果表明,成形件不同层上的各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,熔池区的温度梯度非常大,但其他方向不明显;瞬态热应力集中在温度梯度变化较大的区域,这与热应力形成的机理是一致的;通过对成形件中各方向的残余应力分析,从温度梯度的角度总结各方向残余应力变化规律,侧面验证残余应力的形成机理.通过相同工艺参数下的试验验证,证明上述分析与实际情况是基本吻合的.     

基于机器视觉的激光熔覆熔池形貌监测

为了研究激光熔覆过程中熔池形貌的变化,搭建了激光熔覆熔池在线监测系统。采用COMS相机与激光设备同轴装配的方式获取熔池图像,在分析熔池灰度直方图分布的基础上,采用三角阈值分割的自适应阈值分割法对熔池图像进行二值化,通过Canny算子检索出熔池图像的边缘,利用最小外接矩形算法获取熔池区域的长和宽。以45钢为基体、420不锈钢为熔覆粉末进行9组单道熔覆正交实验。实验结果显示,在该监测系统下测得的熔池宽度与电子显微镜下测量的实际熔覆宽度平均误差为4.5%,验证了该视觉监测系统的有效性。对监测系统下得到的熔池宽度进行极差分析,结果表明：激光功率对熔池宽度的影响最大,其次是扫描速度,最后是送粉速率;熔池宽度随激光功率的增大而增大,随扫描速度和送粉速率增大而减小。利用该监测系统获取的熔池信息与变化规律可作为激光熔覆实时控制的参考变量,为激光熔覆实现闭环控制奠定基础。     

激光直接烧结成形多层金属薄壁件的温度场有限元模拟

为掌握多层粉末烧结过程中激光熔池的加热冷却规律以及各烧结层之间的相互影响,综合考虑热传导、热辐射和热对流以及材料的高度非线性,基于ANSYS平台建立了多层金属薄壁件的三维温度场有限元模型,利用APDL语言编程实现模拟中激光热源的移动,采用"单元生死"技术描述粉末材料动态增长过程。模拟结果表明:在现有工艺参数下,烧结获得的熔深在0.15mm以上,熔宽在0.61mm左右,烧结成形件与基体以及层层之间搭接牢固;成形件中,与x方向的热梯度相比,z方向热梯度占绝对优势,这说明成形件在冷却过程中热量的散失以堆积方向为主。将模拟结果与实验结果进行了对比,实验结果较好地验证了模拟结果。