數(shù)值模擬數(shù)值模擬選區(qū)激光熔化加工內(nèi)激光搭接率對(duì)成型質(zhì)量的影響

數(shù)值模擬數(shù)值模擬選區(qū)激光熔化加工內(nèi)激光搭接率對(duì)成型質(zhì)量的影響

0slm熱模擬研究coll718納米是一種重要的高溫金屬材料。這種高溫合金因其具有優(yōu)良的高溫硬度、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐蝕性而被廣泛應(yīng)用在航空、航天及能源領(lǐng)域選區(qū)激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)是快速成型技術(shù)(RM)的一種,其工作原理如圖1所示。它是根據(jù)工件的CAD模型,利用高能激光束直接熔化金屬粉末成型復(fù)雜工件。成型后的工件尺寸精度高,通過優(yōu)化工藝參數(shù),可以成型近乎致密的工件,并且無需后續(xù)處理便可以滿足工業(yè)需要許多關(guān)于SLM的數(shù)值模擬研究已經(jīng)被報(bào)道過。師文慶本文利用一個(gè)考慮了激光穿透作用以及Marangoni效應(yīng)的三維有限元模型來預(yù)測(cè)激光束搭接率對(duì)工件成形質(zhì)量的影響。不同激光束搭接率下熔池溫度場(chǎng)被模擬。模擬結(jié)果將會(huì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。1建立物理模型和數(shù)值解的方法1.1激光輻照納米顆粒的特性SLM過程包含了諸多的物理現(xiàn)象,首先粉床吸收激光輻照的能量,被粉床吸收后的能量在粉末顆粒間傳導(dǎo),當(dāng)能量積累到一定值時(shí),粉末熔化形成熔池,熔池內(nèi)的熔融金屬在表面張力的作用下產(chǎn)生對(duì)流1.2熱物理參數(shù)參數(shù)為了簡化計(jì)算,本文做出以下假設(shè):(1)粉末顆粒的粒徑相同,并且粉床是均勻連續(xù)的;(2)熔池內(nèi)的熔融金屬是不可壓縮的牛頓體,流動(dòng)類型為層流;(3)除熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、液體表面張力系數(shù)和液體粘度外,其他的熱物理參數(shù)均作為常量;(4)忽略熔池的氣化現(xiàn)象。1.3模型2:納米顆粒球圖3為本文中采用的三維有限元模型。模型中,激光束被定義為q(x,y,z,t),并在分床上沿著x方向運(yùn)動(dòng)。模型被定義為2.00mm×1.00mm×0.33mm,頂部的0.03mm為粉床,下面為基板。在當(dāng)前的模型中,很難將粉末顆粒定義為球形,為了減小計(jì)算誤差,本文采用多孔介質(zhì)代替金屬粉末顆粒。粉床與基板的初始溫度均為室溫。粉床上表面的能量散失形式被定義為對(duì)流和輻射。1.4相變潛熱模型動(dòng)量控制方程能量控制方程式中,ρ,κ,μ,和P分別表示密度、熱導(dǎo)率、動(dòng)力粘度以及壓強(qiáng)。C式中,H是相變潛熱。本文的模型考慮了固液相變,在相變過程中,κ,ρ,和C式中,phase1和phase2分別表示固相和液相。θ———固相的體積;α———COMSOL軟件中描述相變過程中相比率的函數(shù)。1.5設(shè)置粉床的能量在SLM加工過程中,盡管粉床被刮刀壓實(shí),仍有許多孔隙。當(dāng)激光束輻射到粉床上表面時(shí),光線可以通過粉末顆粒間的孔隙穿透粉床幾個(gè)粉末粒徑的距離。本文在選取熱源模型時(shí)考慮到了激光束的穿透作用,模型可以表示如下式中,β———消光系數(shù);ξ=βz表示無量綱的坐標(biāo)。通過粉床的能量以及入射功率密度可以表示為由于熔池表面存在溫度梯度,這會(huì)在熔池表面產(chǎn)生表面張力,進(jìn)而引起Marangoni對(duì)流。Marangoni對(duì)流會(huì)影響熔池內(nèi)熱量和質(zhì)量的傳遞,因此會(huì)影響熔池的溫度分布。本文考慮了Marangoni效應(yīng),方程為式中,γ———表面張力;ue014γ/ue014T———Marangoni系數(shù)。通常情況下,熔融金屬的Marangoni系數(shù)為負(fù)值,但當(dāng)熔池中混入O、S等活性元素時(shí),金屬的Marangoni系數(shù)會(huì)升高,并可能由負(fù)值變?yōu)檎?這在金屬的焊接過程中是必須要考慮的事情。但在SLM中,Marangoni對(duì)流會(huì)對(duì)加工過程產(chǎn)生何種影響還未得到深入的研究。本文通過改變Marangoni系數(shù)的正負(fù)號(hào)來改變?nèi)廴诮饘俚膶?duì)流狀態(tài),研究不同對(duì)流狀態(tài)對(duì)熔池形貌的影響。1.7粉床的熱導(dǎo)率實(shí)體Inconel718合金的熱導(dǎo)率和恒壓熱容如圖4所示。由于粉床中存在大量的孔隙,因而粉床的熱導(dǎo)率明顯區(qū)別于實(shí)體材料。假定粉末顆粒是粒徑相同并且沒有發(fā)生變形的球形,則粉床的熱導(dǎo)率可以由方程式(17)得到式中,φ———粉床的孔隙率;κ式中,D1.8數(shù)值解本文使用COMSOLMultiphysics2實(shí)驗(yàn)步驟2.1粉末材料本文所使用的Inconel718合金純度為99.7%的球形粉末,粉末平均粒徑為30μm。2.2微觀結(jié)構(gòu)的制備試樣使用EOSINT-M280設(shè)備加工。該設(shè)備所使用的激光器為YLR-400光纖激光器,其最大輸出功率為400W,光斑直徑為100μm。加工時(shí)采用氬氣作為保護(hù)氣體,成型倉內(nèi)氧氣含量低于0.1%。加工試樣時(shí)所用的工藝參數(shù)與模擬時(shí)所用參數(shù)相同。用來表征微觀結(jié)構(gòu)的樣本采用標(biāo)準(zhǔn)程序制備,并用Kalling試劑腐蝕幾秒鐘。使用OLYPMUSDP72光學(xué)顯微鏡和FEIQuanta200掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)。3結(jié)果與討論3.1熔融金屬對(duì)流狀態(tài)的影響為了了解不同對(duì)流狀態(tài)對(duì)熔池形狀的影響,本文分析了不同對(duì)流狀態(tài)下熔池的深寬比。圖5為取不同Marangoni系數(shù)時(shí)熔池中熔融金屬運(yùn)動(dòng)矢量圖。圖中箭頭方向代表熔融金屬流動(dòng)方向,箭頭顏色代表流速。由圖5(a)可以看出,當(dāng)ue014γ/ue014T=-4×10表2為不同對(duì)流狀態(tài)下,熔池的深度、寬度和深寬比。由表中可以看出,隨著熔融金屬對(duì)流狀態(tài)由外向?qū)α髯優(yōu)閮?nèi)向?qū)α?熔池的深度增加,寬度減小,深寬比增加。這是因?yàn)?在外向?qū)α鳡顟B(tài)下,熔池中心的高溫熔融金屬優(yōu)先流向熔池邊緣,這加速了熱量向熔池邊緣的傳遞,而抑制了熱量向熔池底部的傳遞。而在內(nèi)向?qū)α鳡顟B(tài)下,情況恰好相反,因此熔池具有較大的深寬比。3.2熔池寬度的變化如圖6所示,為不同搭接率時(shí)熔池的寬度和深度,并且圖中各點(diǎn)分別為對(duì)應(yīng)掃描軌道的中點(diǎn)。由圖6(a)可以看出,當(dāng)搭接率固定時(shí),隨著軌道數(shù)的增加,熔池的寬度有起初有較大增加,后逐漸趨于平緩。這是因?yàn)?在加工前一道掃描軌道時(shí),掃描軌道中的熱量無法及時(shí)的散失掉,這會(huì)提高加工后一道掃描軌道時(shí)的初始溫度,這樣的熱累積效應(yīng)會(huì)在加工前三條掃描軌道時(shí)顯著增加熔池的寬度。但隨著掃描軌道數(shù)的增加,熱量的累積和散失會(huì)逐漸達(dá)到平衡,熱累積效應(yīng)的效果會(huì)逐漸減弱。由圖中可以看出,當(dāng)加工到第四條掃描軌道時(shí)熔池的寬度已經(jīng)逐漸趨于穩(wěn)定。由圖6(b)可以看出,熔池的深度與熔池的寬度有著類似的變化規(guī)律,這里不再贅述。3.3實(shí)驗(yàn)樣件的表征如圖7為不同激光束搭接率時(shí)熔池縱截面圖,截面位置為每條掃描軌跡的中心位置。由前文可知,從第4條掃描軌道開始熔池的深度和寬度逐漸趨于平衡,因此選擇第4條和第5條掃描軌道進(jìn)行分析。為了便于分析,現(xiàn)定義熔池搭接率η為式中,L由圖7中可知,激光束搭接率為20%、30%和40%時(shí)的L圖8為試驗(yàn)樣件縱截面的SEM照片,加工實(shí)驗(yàn)樣件的工藝參數(shù)與模擬時(shí)所使用的參數(shù)相同,激光束搭接率為30%。由圖中可以看出,采用激光束搭接率為30%時(shí),工件中的氣孔數(shù)量明顯減少,但仍有氣孔存在。因?yàn)榧す馐拇罱勇手皇怯绊憵饪咨杀姸嘁蛩刂械囊粋€(gè),無法僅通過改變搭接率來消除氣孔。為了進(jìn)一步減少工件中氣孔的數(shù)量,提高工件的致密度,在后續(xù)的工作中我們將會(huì)研究更多工藝參數(shù)對(duì)工件中氣孔形成的影響。4激光束搭接率對(duì)鑄造質(zhì)量的影響本文利用一個(gè)考慮了激光穿透作用和Marangoni效應(yīng)的三維有限元模型研究了Marangoni效應(yīng)對(duì)熔池形貌的影響以及激光束搭接率對(duì)SLM成型Inconel718合金成型質(zhì)量的影響。研究結(jié)果可以總結(jié)如下:(1)當(dāng)Marangoni系數(shù)由負(fù)值變?yōu)檎禃r(shí),熔融金屬對(duì)流狀態(tài)由外向?qū)α髯優(yōu)閮?nèi)向?qū)α?。隨著Marangoni系數(shù)的增加,熔池的深寬比增加。(2)當(dāng)激光束搭接率固定時(shí),隨著掃描軌道數(shù)的增加,熔池深度和寬度先增加后趨于穩(wěn)定。隨著激光束搭接率的增加,熔池的寬度和深度增加明顯。(3)激光束搭接率取30%時(shí),熔池搭接率接近100%,此時(shí)成型質(zhì)量較好。為了進(jìn)一步提高工件的成形質(zhì)量,在未來的工作中,更多的成形工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響將會(huì)被研究。質(zhì)量控制方程式中,ρ消光系數(shù)β可表示為式中,S———單位面積粉