316L不锈钢的激光选区熔化多道成形数值模拟研究

通过对FLOW-3D软件的二次开发,实现了三维多道次的选区激光熔化(SLM)过程的数值模拟。对过程中熔池的速度场、温度场和形貌特征进行了分析,并与有限元方法和光滑粒子流体动力学方法的模拟结果进行了对比。对不同激光功率对熔池深度和宽度的影响进行了研究。结果表明,经过二次开发的FLOW-3D软件能精确模拟SLM过程中温度场;马兰戈尼对流对SLM过程中熔池形貌的形成有重要作用,并且熔池的长度与宽度随着激光功率的增大而增大。     

选区激光熔化316L粉末过程数值模拟研究

采用光滑粒子流体动力学方法建立了单道次选区激光熔化(SLM)的三维数学模型,耦合了流动场、温度场、表面张力以及润湿作用对选区激光熔化316L不锈钢粉末过程进行数值模拟研究。分析了不同激光功率对熔池长度和宽度的影响以及表面张力对SLM过程的影响,并与有限元模拟软件的模拟结果以及试验结果进行对比。结果表明,熔池的长度与宽度随着激光功率的增大而增大,同时也验证了马兰戈尼力是SLM过程的主要驱动力。     

SLM成形316L不锈钢微观组织演化模拟与试验验证

为研究激光选区熔化(selective laser melting,SLM)中工艺参数对成形过程及成形质量的影响,文中以316L不锈钢粉末为材料,设计了SLM成形 316L不锈钢对照试验,并以试验为基础进行了数值模拟分析,首先采用离散元法(discrete element method,DEM)建立单层厚度为40 μm的粉末模型,其次采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD) 方法模拟了激光对粉床的熔化过程,最后基于仿真温度场通过元胞自动机(cellular automaton, CA)对熔化区域微观组织进行模拟. 结果表明,当激光热输入范围为136.4 ~ 250.0 J/m时,单道质量较高. 当选定扫描间距为70 μm时,激光热输入不应低于181.8 J/m,微观组织模拟结果表明,熔池内部的晶粒尺寸与激光功率和扫描速度密切相关. 在合理的激光热输入范围内,当工艺参数组合为铺粉厚度为40 μm,扫描间距为70 μm,激光功率为200 W,扫描速度为1.1 m/s时,熔池微观组织中晶粒尺寸最小. 文中采用的热流体流动模型和微观组织演化模型能够在不同尺度上对SLM成形结果进行准确的预测,并能在试验的基础上对工艺参数优化提供指导.     

激光选区熔化粉末尺度的数值模拟研究现状

激光选区熔化成形过程是涉及多物理现象的耦合过程。采用数值模拟能够有效地研究成形过程中的多物理现象,探究缺陷形成机理,优化工艺参数设置。本文对目前国内外激光选区熔化粉末尺度的数值模拟进行了综述,介绍了数值模拟的关键模型,分析了粉末尺度下缺陷研究的数值模拟,总结展望了激光选区熔化粉末尺度数值模拟的发展方向与趋势。     

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。     

气雾化粉末制备用组合式分离器分离性能的数值模拟及实验研究

基于计算流体力学模拟技术(CFD)和实验结合的方法,设计了一种用于气雾化制粉设备的组合式分离器,开展了高温合金粉末分离性能研究,旨在利用不同结构分离器性能差异直接在制粉过程中实现粗细颗粒分级分离.结果表明,在氩气流量400 m3/h、粉末流量1 kg/min的工况条件下,C1结构的分离器对细微颗粒分离效率偏低,而C2结...     

基于机器学习和数值模拟的选区激光熔化Al-Mg-Sc-Zr合金成形工艺优化

本研究旨在利用机器学习方法优化Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金的选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)成形工艺。由于实验获取样本的成本高、周期长,本文通过SLM成形数值模拟获得充足的实验样本。以激光功率、扫描速度和扫描间距为输入,以数值模拟的残余应力为输出,构建了BP神经网络模型,并利用遗传算法优化BP神经网络模型的预测精度。结果表明：SLM成形Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金的残余应力随激光功率的增加而增大,随扫描速度和扫描间距增大而减小。相较于BP神经网络模型,优化的GA-BP神经网络模型的平均绝对误差、均方误差和平均相对误差分别降低了2.62%、14.34%和0.64%。通过搭建遗传算法与GA-BP神经网络的联合双向预测模型,以残余应力最小为目标,确定了Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金SLM的最优工艺参数为：激光功率373.17 W、扫描速度919.53 mm/s、扫描间距102.44μm。在最优条件下成形试样的残余应力为201.1 MPa,孔隙率为1.2%,xoz和xoy截面的平均显微硬度分别为103.2HV和120.1HV。本研究可为Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金的SLM工艺优化提供一种高效经济的方法。     

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。     

激光选区熔化AlSi10Mg合金悬臂梁残余变形的数值模拟

建立了一个零件尺度的模型,采用收缩体积法模拟预测了激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）成形AlSi10Mg合金悬臂梁的变形,研究了几何结构、扫描方式以及预热温度对悬臂梁残余变形的影响。结果表明,模拟计算的翘曲方向和变形趋势与试验测量结果相符;悬臂梁的厚度越大其刚度越大,抵御变形的能力越强;提高预热温度可以有效减小零件的变形。     

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。     

选区激光熔化316L扫描特征参数对表面形貌影响

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.     

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。     

Temperature field simulations during selective laser melting process based on fully threaded tree

Selective laser melting (SLM) is a promising technique for additive manufacturing. During SLM of metallic powder, the temperature field and thermal history are important to understand physical phenomena involved. The purpose of this study is to simulate the temperature field during the SLM process of a hollow cylinder shape part based on a fully threaded tree (FTT) technique, and to analyze the temperature variation with time in different regions of the part. A revised model for temperature field simulation in the SLM process was employed, which includes the transition of powder-to-dense sub-model and a moving volumetric Gaussian distribution heat source sub-model. The FTT technique is then adopted as an adaptive mesh strategy in the simulation. The simulation result shows that during the SLM process of cylinder part, the temperature of inner powder bed is obviously higher than external one. The temperature at the internal of the molten pool is also higher than external, which may lead to differences in microstructures and other properties between the two regions.     

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%。     

激光选区熔化成形钛合金内部缺陷及其演化规律研究

激光选区熔化(selective laser melting, SLM)成形技术可实现形状复杂、尺寸精度高、力学性能优异零部件的直接成形,但成形工艺参数选择不当,则会在产品中引入缺陷,针对SLM成形钛合金内部缺陷的问题,研究了激光功率和扫描速度2个主要成形工艺参数对钛合金内部缺陷类型、尺寸及数量的影响,探索了缺陷的演化规律。结果表明,SLM成形钛合金内部主要有不规则形状、规则球形2种形态的缺陷。低激光功率(≤130W)、高扫描速度(≥900mm/s)区域主要为不规则形状缺陷,能量不足是导致形成该类型缺陷的主要原因;高激光功率(≥190 W)、低扫描速度(≤600 mm/s)区域主要为规则球形缺陷,能量过高导致合金元素气化是产生这类缺陷的主要原因。随着能量密度的增加,根据缺陷的演化规律绘制了SLM成形钛合金加工图,其中缺陷的演化呈现3个阶段,即不规则形状缺陷尺度逐渐降低区,微尺度不规则缺陷向微尺度规则球形缺陷过渡区和规则球形缺陷逐渐长大区。     

选择性激光烧结翘曲变形模拟

建立了烧结过程的温度场、弹性应力应变场的有限元计算模型,开发了C++模拟软件,模拟了选择性激光烧结(SLS)过程的温度、残余热应力的演化,以及最终的翘曲变形.提出的改进移动热源加载算法提高了计算速度.研究结果表明:激光烧结过程中温度场不均匀,导致了热应力的产生,进而使制件变形,制件的上下部分收缩不一致,从而向上翘曲.随...     

Selective Laser Melting Process of Fe-Ni Metal Powder

The density of the SLM forming parts is investigated to determine the good technological parameters of SLM at the same time obtain the dense parts. In the SLM experiment, material used is Fe-Ni metal powder, the good technological parameters of SLM are determined by analyzing the effect of the laser electric current, the laser pulse width, the pulse of laser light frequency, the scan speed, the scan interval, push powder thickness and the scanning way on the single channel scanning, the single-layer scannin...