TC11钛合金单道选区激光熔化成形机理与工艺参数影响规律

为探明TC11钛合金选区激光熔化成形规律,以获得高质量TC11钛合金增材制造参数,本文基于离散单元法建立粒径呈高斯分布的粉末层,并将其通过UDF导入到Fluent软件,建立介观尺度下的选区激光熔化CFD模型,对不同工艺参数下的单道形貌缺陷以及熔池演变过程进行模拟,阐明TC11钛合金单道选区激光熔化成形机理,并结合实验验证仿真模型的准确性.结果表明:当能量密度较小时,部分粒径较大或较为集中的粉末无法吸收足够的能量后熔化,故易产生球化或单道不平直等缺陷;在相同线能量密度下,过高扫描速度也会导致缺陷形成,且实验和仿真误差在15%以内.研究结果可为提高TC11增材制造质量和工艺参数优化提供依据.

金属增材制造过程的在线监测研究综述

金属增材制造(AM)技术融合制造技术、光学技术、数控技术、传感技术等多门科学技术,是一门多学科交叉的新型制造技术。与传统减材制造方法相比,此技术具有易加工结构复杂零件、加工材料广、制造周期短、环境污染小等优点。经过数十年的发展,该技术已被广泛应用于航空航天、快速原型制造、生物医疗、装饰品制造等诸多领域,并对原有的生产方式产生了重要的影响。但是由于缺乏对金属增材制造过程进行在线监测,阻碍了该技术在一些对零件质量要求很高的领域的进一步发展,如医疗和航空航天等高精尖领域,针对这个问题,金属增材制造过程在线监测研究应运而生。在金属增材制造过程中,零件的质量和尺寸精度受工艺参数(如激光功率、送粉率、扫描速度等)、外部因素(基板温度、冷却方式)及熔池的温度和尺寸等多种因素影响,因此这些影响因素成为在线监测研究的主要对象。且随着金属增材制造技术制造的功能梯度性零件在航空航天领域的应用,对零件的元素成分和显微组织实现在线监测是十分重要的。近10年来熔池的温度和尺寸监测一直是AM在线监测研究的焦点,并取得了丰硕的成果。近六年来,元素成分和显微组织的在线监测也得到初步发展。在线监测研究在充分发挥金属增材制造技术优势的同时,不仅提高了零件的质量和尺寸精度,还对促进功能梯度性零件的开发和制造具有重要意义,扩大了该技术的应用范围。关于熔池温度和尺寸的在线监测研究,目前已经能实现闭环控制,即根据测量得到的数据反馈进行相应的动作,从而改善零件的质量和尺寸精度。而元素成分和显微组织在线监测系统由于研究时间较短,只有显微组织能实现闭环控制,元素成分目前只能实现实时监测,尚未实现闭环控制。本文归纳了熔池温度、熔池尺寸、元素成分和显微组织这四种在线监测研究中所使用的监测工具及其工作原理,并分别对这四种在线监测系统进行了原理介绍和结果分析,分析了金属增材制造过程在线监测面临的问题并展望了其前景,以期为相关研究方向的初学者提供参考。

激光选区熔化316L不锈钢成型过程的模拟分析

激光选区熔化成型技术(SLM)在增材制造领域中有重要的价值。不同参数对其热过程的影响还需进一步研究。本研究在综合了成型过程中一系列复杂的物理化学现象的基础上,建立了SLM成型316L不锈钢的温度场数值模拟模型,研究了激光功率、扫描速率和扫描间距对SLM温度场以及熔池尺寸等的影响,并通过实验验证了模拟结果的可靠性。结果表明:激光功率和扫描间距对于温度场以及熔池尺寸的影响较大,而扫描速度对其影响相对较小;激光功率较小、扫描速率较大或扫描间距较大时,温度场内温度降低,熔池尺寸较小,易形成孔穴类缺陷;通过实验得到,上述条件下试样表面出现未熔融的球化粉末颗粒和孔洞,熔池稳定性降低,成型质量下降;相反条件下,熔池相对稳定,其表面质量改善,但出现少量飞溅物。实验结果与数值模拟结果基本一致,保证了数值模拟结果的准确性。

激光选区熔化GH3536合金温度场的模拟实验研究

采用高斯热源对GH3536合金的单道多层激光选区熔化温度场进行了数值模拟,分析了不同工艺参数对成形温度场以及熔池尺寸的影响。模拟结果表明:高斯体热源模型较面热源更加准确,且与熔池形貌吻合较好;随着扫描层数的增加,熔池的峰值温度以及熔池尺寸呈小幅度上升状态;与激光功率相比,扫描速度对熔池峰值温度的影响更大。实验结果表明:当激光功率为150 W、扫描速度为600~850 mm/s时,GH3536合金成形试样截面形貌较好,孔隙、裂纹等缺陷很少。为提高火焰筒成形质量、优化其成形工艺参数提供了可靠依据。

激光选区熔化致密度预测模型建立与工艺验证

致密度是评价增材制造成型件性能的重要参数之一,而高致密度成型件对应的工艺参数需要大量实验研究获得。针对该问题,建立了基于工艺参数的熔池致密度预测模型,能够有效地预测熔合不良引起的孔隙,进而为激光选区熔化工艺参数的选择和优化提供更多的参考。模型采用有限元分析和数值计算软件获得熔池尺寸以及模拟多层多道次的熔池拼接形貌,并预测工艺参数对应的致密度。同时在熔池预测模型中引入了波动系数、偏转角度以及层间扫描转角,以此兼顾熔池尺寸波动、熔池倾斜以及层间扫描转角对熔池模拟结果的影响。最终,通过HR-2不锈钢选区激光熔化试验对预测模型的可行性进行验证。结果表明,模型预测结果与成型件熔池试验结果吻合较好,致密度预测结果与实测偏差在2%以内。

相同激光能量密度下扫描速度对选区激光熔化钴铬合金熔池尺寸与致密度的影响

为明确激光能量密度作为选区激光熔化工艺优化依据的可靠性,以钴铬合金为对象,通过数值模拟与试验验证,考察了相同能量密度下不同扫描速度时成形试样的温度场、熔池尺寸和致密度。结果表明,激光能量密度不是影响选区激光成形过程中熔池尺寸和致密度的可靠参数,在相同激光能量密度下,激光扫描速度不同,会影响粉床上粉末的熔化和凝固过程及形成的熔池尺寸。激光能量密度相同时,随着激光扫描速度增大,熔池尺寸增加,试样致密度也相应提高。

考虑熔池流动效应的选区激光熔化温度场模拟研究

利用有限单元法模拟选区激光熔化(selective laser melting,SLM)单道成形过程,建立热流耦合模型,考虑了固体金属材料性质随温度变化和相变过程,以及粉末间隙对材料性质的影响。利用焓-孔隙度方法模拟熔池凝固时的动量耗散,确定固-液相界面。根据能量守恒定律,在现有的圆柱体热源模型上,提出了旋转抛物体热源模型,并与传统高斯面热源模型选区激光熔化过程中温度分布和熔池尺寸的预测结果比较。结果表明,在试验激光能量密度研究范围内,旋转抛物体热源和高斯面热源模式下熔池宽度的平均预测误差分别为12.18%、7.07%。对于熔池宽度,高斯面热源的预测精度优于旋转抛物体热源。当激光能量密度为40~100 J/mm^(3)时,旋转抛物体热源和高斯面热源模式下熔池深度的平均预测误差分别为17.00%和38.20%。对于熔池深度来讲,旋转抛物体热源预测精度优于高斯面热源。此外,研究发现考虑熔池流动效应作用下得到的熔池温度分布更加均匀。

不同热源模型对选区激光熔化18Ni300温度场计算结果的影响

为了明确不同热源模型对选区激光熔化18Ni300成形过程温度场模拟计算的适用性,使用ANSYS APDL对单层单道激光熔化成形过程进行了温度场计算,比较了高斯面热源和双椭球热源两种热源模型计算的18Ni300金属粉末熔道的温度场和熔池尺寸。结果表明,双椭球热源模型计算结果的准确性优于高斯面热源模型的计算结果,与试验结果吻合良好。在选区激光熔化过程中,熔池尺寸不仅与激光功率、扫描速度有关,还与激光能量在粉末中的扩散有关。扫描速度对熔池宽度和深度的影响是非线性的。当激光线能量密度相同时,高激光功率和高扫描速度下获得的熔池的深度和宽度大于低功率和低扫描速度下获得的。