激光粉末床熔融成形纯锌介观尺度熔池传热与流动机理研究(特邀)

基于离散元方法和计算流体力学,建立了介观尺度下激光粉末床熔融(LPBF)成形纯锌熔池传热流动耦合模型,重点讨论了工艺参数对熔池温度场、流场演变以及熔道形貌的影响机制。研究结果表明:在LPBF成形过程中,低熔点低沸点的纯锌对瞬时热输入的变化非常敏感,随着激光功率增大,熔道成形尺寸、峰值温度、冷却速率均显著增加;当激光功率由30 W分别提高到60 W和90 W时,熔池的实时体积分别增长了510%和1730%;扫描速率的提高导致激光能量更多地被表层锌粉吸收,熔池的长宽比逐渐由1.28变为1.98,长深比由1.61变为3.45,熔池形态呈现长、浅、窄特征;熔深方向的温度梯度变大,最大冷却速率由3.6×10^(6)K·s^(-1)提高到1.3×10^(7)K·s^(-1);在高扫描速率下,实时熔池体积波动大,熔道成形具有不稳定性;随着激光能量密度增加,熔池内部流动不断加剧,激光中心区域的纯锌蒸发现象变得更加明显,熔池流动的主导驱动力逐渐由温度梯度引起的Marangoni对流转变为蒸发致反冲压力,熔道形貌逐渐由中心点状凹坑发展为连续的裂隙状。本研究结果可为LPBF成形过程中低熔点低沸点金属熔池演变研究与工艺优化提供理论指导。

Ti6Al4V激光熔化沉积熔池温度场与微观组织特性

采用激光熔化沉积方法制备了Ti6Al4V合金单墙体,研究了工艺参数对熔池尺寸稳定性、沉积层微观组织生长特性的影响。基于有限元模拟方法,计算了不同工艺条件下熔池的温度场及熔体的冷却速率。结果表明,在前几层的熔化沉积过程中,熔池尺寸会随基体散热条件的改变发生明显变化。对每层热量输入进行优化,可以准确控制熔池尺寸的稳定性。相比激光功率,扫描速度对沉积层定向生长特性及晶粒尺寸的影响更为显著,随着扫描速度的改变,沉积层组织很容易实现从柱状晶到等轴晶的改变。在本试验条件下,当熔池冷却速率高于135.3℃/s时,方可形成定向生长的柱状晶。