供稿人:朱碩 張航 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2019-05-16
在選區(qū)激光熔化制造（SLM）過程中，高速激光作用在粉末上形成快冷快熱效應(yīng)，成形件易產(chǎn)生變形、裂紋等缺陷。成形所需構(gòu)件通常需要多次試錯，高昂的試錯成本阻礙了SLM技術(shù)的發(fā)展。近年來研究人員致力于通過計算機數(shù)值模擬來模擬SLM過程中的溫度場表現(xiàn)，進而分析導(dǎo)致構(gòu)件缺陷的原因，以求降低試錯成本。
印度理工學(xué)院的研究團隊采用體熱源模擬激光光源，忽略高溫下的材料蒸發(fā)，考慮材料間的熱傳導(dǎo)傳熱和輻射傳熱，建立傳熱模型，并進行了Ti6Al4V粉末的SLM數(shù)值模擬實驗。他們通過改變激光功率和掃描速度兩個關(guān)鍵工藝參數(shù)來執(zhí)行模擬。圖1展示了到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時，在100W激光功率和500mm /s掃描速度下單道掃描的模擬溫度場分布。
圖1 單道掃描的模擬溫度場分布
如圖2所示，在激光功率100W和掃描速度500mm /s的工況下，計算熔池的重熔區(qū)與實驗測得的重熔區(qū)形貌具有較高的一致性。圖3展示了在較低能量密度情況下，計算所得熔池尺寸與實驗測得熔池尺寸相符程度較高。
圖2 計算熔池與測量熔池重熔區(qū)形貌對比
圖3 計算熔池與實驗測得熔池尺寸對比 （a）寬度 （b）深度
圖4展示了掃描速度分別是100mm/s、200mm/s和300mm/s時，計算所得熔池最高溫度與測量最高溫度的對比。由于SLM過程中的快冷效應(yīng)，高溫下溫度測量存在誤差，在當(dāng)前300K的溫度差異下可以認(rèn)為模擬最高溫度與實際最高溫度一致性較好。
圖4 計算所得與測量所得熔池最高溫度對比
當(dāng)前，計算機數(shù)值模擬可以計算多種實驗參數(shù)下SLM過程中的溫度場，且具有一定的可靠性。隨著計算模型的不斷完善，研究人員可以根據(jù)較準(zhǔn)確的溫度場數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整激光功率及掃描速度等實驗參數(shù)，從而減少實驗，減少試錯成本。