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。     

多光束激光选区熔化拼接区域熔池动力学行为数值模拟

目的 针对多光束激光选区熔化加工拼接重叠区域的质量控制难题,研究拼接重叠区域的缺陷形成机理与控制手段。方法 通过建立激光选区熔化介观尺度高保真数值模型,基于流体体积法和射线追踪热源,还原粉末熔化凝固的加工过程,研究不同加工参数下拼接重叠区域熔池动力学和激光反射吸收行为,并对比分析拼接重叠区域和非拼接重叠区域激光-材料能量耦合机制。结果 在拼接重叠区域大小不同的情况下,重叠区域长度分别为160、200、240μm时,其拼接重叠区域熔道宽度宽于非拼接重叠区域,拼接重叠区域与非拼接重叠区域存在高度差,且重叠区域的全局激光吸收率要高于非重叠区域,其中重叠区域皆有孔隙缺陷,重叠区域240μm长度方案下的全局平均吸收率达到最高（0.417 56）。在拼接重叠区域长度为240μm、扫描速度为0.9 m/s和1.2 m/s时,由于获得的能量低于扫描速度为0.6 m/s时的能量,其重叠区域不存在孔隙缺陷。结论 拼接重叠区域的表面形貌和孔隙缺陷与熔池动力学和激光反射吸收行为密切相关,合适的加工参数可以改善拼接重叠区域的成形质量。     

基于SLM弧形截面薄壁结构设计及力学性能分析

SLM技术加工弧形截面薄壁结构有巨大优势,可以避免振动等因素影响零件的成形质量及力学性能。为验证截面设计的正确性,采用试验和数值模拟结合的方法对SLM成形的弧形截面薄壁结构进行分析。结果表明：弧形截面薄壁的结构圆心角度最优解为90°,壁厚1 mm的弧形截面薄壁结构试件能承受轴向压力30 000 N,相较于壁厚1 mm的直薄壁结构提升了36%,且在弹性阶段之后试件没有发生突然断裂破坏。研究结果对弧形截面薄壁结构设计有指导意义。     

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.     

SLM成形AlSi10Mg合金残余应力数值模拟及组织性能分析

通过有限元模拟与试验测试,研究了打印参数对选区激光熔化(SLM)工艺成形AlSi10Mg合金残余应力的影响。结果表明,打印过程存在3个峰值温度;随着基板温度、激光功率、扫描速度和扫描间距的增加,成形件残余应力先减小后增大。当激光功率为450 W、扫描速度为1 100mm/s、扫描间距为70μm、基板温度为200℃时,打印件具有最小的残余应力,成形件抗拉强度为480MPa、屈服强度为310MPa、伸长率为6%。成形件组织中存在粗晶区、细晶区和热影响区3种区域,Si相呈网状结构分布。     

TC4钛合金粉末在SLM工艺中的循环老化行为研究

选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)工艺采用特殊的专用金属粉末作为其成形原料。然而,金属粉末诸多指标易在成形及回收过程中发生改变,进而影响SLM成形件质量。本文研究了TC4钛合金粉末颗粒形貌、粒度分布、流动性以及成形试样的孔隙率、显微硬度等在循环利用过程中的变化规律,并对一系列性能改变的机理进行分析。结果表明：随循环次数增加,粉末颗粒形貌整体仍保持球形,表面光滑度提高;循环14次后观察不到卫星颗粒;粒度分布经历了集中-分散-集中的变化;多次循环利用后粉末的流动性显著提高;通过对粉末宏、微观的分析可知,上述性能变化趋势均与粉末中细小粉粒和卫星颗粒逐渐减少有关。成形试样孔隙率随循环利用次数增加先增大后减小;显微硬度不受TC4粉末循环利用次数影响。     

SLM成形17-4PH不锈钢微观组织与动态断裂性能

通过激光选区熔化(selective laser melting, SLM)技术制备了17-4PH不锈钢,采用电子背散射衍射(electron backscattered diffraction, EBSD)和透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)等方法对沉积态和固溶态试样微观组织结构进行了分析.通过示波冲击试验确定了裂纹萌生扩展的特征阶段和动态裂纹扩展阻力曲线(J-R曲线),研究了微观组织与动态断裂性能之间的关系.结果表明,沉积态试样主要由<100>择优且沿增材方向拉长的δ铁素体柱状晶、取向随机的细小马氏体,以及少量奥氏体组成,不同截面具有显著的组织各向异性;大尺寸δ铁素体柱状晶与细小晶粒的结合面作为薄弱环节,使其脆性增加,J-R曲线的撕裂模量较低,以准解理方式断裂.固溶热处理明显弱化组织各向异性,微观组织由尺寸细小、均匀的马氏体组成,其冲击吸收能量提升1倍,动态断裂韧性优良,属于韧性断裂.大尺寸δ铁素体柱状晶与周围细小马氏体晶粒界面结合较弱是沉积态17-4PH不锈钢动态断裂性能较差的主要原因.     

选区激光熔化IN738LC合金成形温度场的数值模拟及实验研究

通过数值模拟根据熔池热行为变化规律对选区激光熔化工艺参数进行优化,是提高成形件质量的有效手段。为此,本论文采用ANSYS的APDL语言建立了全参数化的IN738LC合金选区激光熔化过程温度场有限元分析模型,并通过单熔道成形实验对热源模型进行校核。结果表明：随着激光功率的增加或者扫描速度的减小,粉末吸收的线性能量密度不断增加,熔池中心最高温度升高,熔融金属量增加,熔道形态由不规则断续状向规则连续长条状演化;随着扫描速度的增加或者激光功率的减小,粉末吸收的线性能量密度不断下降,熔体流动能力减弱,熔池宽度与熔化穿透深度也随之减小;有限元模拟与实验结果吻合较好,当激光功率为270 W,扫描速度为1150 mm/s时,单熔道具有连续少缺陷、规则良好的成形形貌。     

粉末粒径对AlSi10Mg合金选区激光熔化成形的影响EI北大核心CSCD

通过模拟仿真与实验结合研究粉末粒径对选区激光熔化(SLM)可加工性的影响。以3种粒径AlSi10Mg粉末为对象,基于离散元和流体力学数值模拟方法研究SLM铺粉和粉末熔化/凝固介观行为,并对成形样品进行宏观成形质量检测。结果表明,铺粉过程中,粒径小于20μm的粉末剧烈团聚形成大量空隙,粒径大于53μm粉末易形成少量大的空隙,中等粒径粉末床相对密度比细粒径和大粒径分别高7.69%和3.17%。单层粉末床熔融时,铺粉质量不均匀,细粒径与粗粒径熔道不规则。但经历多层熔化后,细粒径熔道缺陷部分缓解。随着粒径的增加,熔道表面平整度下降,细粒径粉末样品存在较多孔隙,粗粒径粉末存在少量未熔合缺陷。中等粒径粉末SLM可加工性最好,样品相对密度达到99.8%,比细粒径和粗粒径分别高1.4%和0.4%。     

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。