扫描方式对激光金属沉积成形过程热应力的影响

为改善金属试样的成形质量,降低沉积过程的热应力,研究不同扫描方式下激光金属沉积成形过程中热应力的动态分布规律具有非常重要的意义。根据有限元中的'单元生死'技术,通过ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric design language,APDL)编程研究了沿长边平行往复、沿短边平行往复以及层间正交变向平行往复等填充扫描方式对整个成形过程热应力的影响,详细探讨了各种扫描方式下Von Mises热应力、x方向热应力、y方向热应力以及z方向热应力的动态分布规律,并分析热应力产生和分布的原因。在与模拟过程相同的条件下,实际成形试验所得结果与模拟结果吻合较好。

基板预热对激光金属沉积成形过程热应力的影响

为降低沉积过程的热应力,抑制成形过程中裂缝的产生,研究基板预热对激光金属沉积成形(Laser metal deposition shaping,LMDS)过程热应力的影响具有非常重要的意义。根据有限元分析中的'单元生死'思想,利用APDL(ANSYS parametric design language)编程建立多道多层激光金属沉积成形过程的数值模拟模型,深入探讨基板未预热和预热到400℃时对成形过程热应力的影响。计算结果表明,基板预热到400℃可以显著降低成形过程中试样的热应力变化波动性,试样的Von Mises热应力最大值可降低10%左右,其中x方向热应力最大值可降低8.5%左右,z方向热应力最大值可降低8.1%左右。在与模拟过程相同的条件下,利用自行研制的激光金属沉积成形设备进行了成形试验,成形试验的结果与模拟结果基本吻合。

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。

激光金属沉积成形过程热应力的数值模拟

根据有限元分析中的“单元生死”技术，利用APDL编程实现了对多道多层激光金属沉积成形过程热应力的三维数值模拟。模拟采用了Gauss热源模型，并引入了沿长边的平行往复扫描方式。计算结果表明，熔池区域以及试样与基板相邻区域是高热应力区，试样内部的热应力较小；试样沿厚度增加方向的热应力在沉积过程中幅值很大并且以拉伸应力为主，是导致试样产生裂缝的主要原因；沉积过程中沉积开始的位置对热应力的分布和强度影响很大，同一沉积层首道各节点热应力值几乎是末道各节点热应力值的一倍。在与模拟过程相同的条件下，实际成形试样裂缝的产生和发展规律与模拟结果相符。

不同基板预热温度对激光金属沉积成形过程热应力影响的研究

研究不同基板预热温度对激光金属沉积成形过程热应力的影响,对于降低成形过程的热应力,抑制成形过程裂缝的产生,减小成形过程试样和基板的翘曲变形具有非常重要的意义。根据有限元分析中的"单元生死"技术,编程建立了基板预热对激光金属沉积成形过程热应力影响的三维多道多层数值模拟模型,详细分析了基板未预热和分别预热到200℃、300℃、400℃、500℃、600℃时对沉积成形过程VonMise’s热应力、X方向、Y方向以及Z方向热应力的影响。在与模拟过程相同的参数下,利用镍基合金粉末分别在基板未预热和分别预热到300℃、400℃、500℃、600℃时进行了成形试验,试验的结果跟数值模拟结果吻合较好。