电子束熔粉成形的粉末床温度模拟与讨论

电子束熔粉技术是指使电子定向运动来获得高动能的粒子,利用这高能量的带电粒子流轰击熔化粉末层沉积在衬底的技术。本文为了观察电子束增材熔粉成形热平衡状态下的温度分布,该文通过测量和CFD模拟方法可视化了粉末床的温度场。在试验中以不锈钢316L粉和钛合金粉作为试验成形材料,用fluent软件作为模拟工具。先选择不同粒径的316L粉和TC4钛合金粉熔粉制作5 cm^(2)的棒材同时测试温度并进行了模拟。结果发现,小颗粒粉末熔粉成形的已成形区温度低于大颗粒粉末,而粉末区温度高于大颗粒粉末,原因是小颗粒粉末颗粒之间的接触点多,热量比大颗粒粉末传导的快,热传导率小的材质的粉末电子束熔粉成形所需功率较低。在热平衡状态下,成形熔粉面积大的零件同一铺粉周期下的所需电子束功率小于成形小面积(除了电子束热载荷奇点区)的零件所需电子束功率。微观观察发现大颗粒粉末熔粉内部容易残留微孔,电子束扫描处出现了片状马氏体,但细粉打印微观组织中出现了再结晶现象,而且过细的粉末在电子束打印中很难控制其成形形状。通过Fluent模拟平均粒径64μm、33μm不锈钢粉和67μm的钛合金粉粉末床温度得到的实测值和模拟值吻合度分别为95.4%、96%及93.3%,因此,用Fluent模拟熔粉粉末床温度可行。尤其是粉末床粉末多孔介质的特性的描述向其他材料粉末床热平衡CFD分析提供了分析方法和理论指导。