金属粉末激光烧结温度场的三维有限元模拟

=
引言
变形， 使得成型 件 质 量 较 低。 由 于 直 接 激 光 烧 结 是 否成功主要取决 与 金 属 粉 末 与 激 光 的 热 耦 合 性， 因
［D］ 此对成型温度场的深入研究 具有重要意义。
金属 粉 末 激 光 直 接 烧 结 （ +’3)6, ?),$% P$/)3 ;’&8 技术是选择性激光烧结 （ ;P; ） 技 术 的一 ,)3’&0， +?P;） 个重要分支， 由于 选 材 广 泛、 无 需 支 撑、 成型件致密 度高等优点受到 广 泛 关 注， 是实现金属材料直接成 型的重要途径。目前金属粉末直接烧结成型的主要 问题是易发生 “球化效应” 以及由热应力引起的翘曲
［, ， -.］ 研 究 和 阐 述 了 %&’# 国内外已有 大 量 文 献
烧结过程中一直 伴 随 着 热 传 导、 热对流和热辐射三 种传热方式。具体表现为粉床上表面和外部环境气 体进行热辐射和对流； 粉末颗粒之间的热传导； 激光 对粉末表面的热辐射。 为了 避 免 烧 结 过 程 中 产 生 较 大 的 温 度 梯 度， 烧 结前必须对整个 粉 床 进 行 预 热， 设均匀预热温度为 则泛定方程 （-） 的初始条件为： #. ，
图’
连续移动的激光烧结温度场有限元模型
"(’
热边界条件的确定
（ %&’#） 的成 ! 直接金属粉末烧结成型 型机理分析和成型过程
金属粉末的激光烧结实质上就是金属粉末在激 光照射 作 用 下 的 快 速 熔 凝 过 程。 对 于 金 属 粉 末 而 言， 液相烧 结 （ ’(# ） 机制是激光烧结的唯一可行机 制
（ &， # ’， (， $） @ $ =ห้องสมุดไป่ตู้. = #. （>）
的成型过程： 逐行扫描的选 %&’# 是 一 个 逐 层 铺 粉、 择性烧结工艺 过 程。 工 作 时， 在充满保护气体的环 境中， 激光器产生 的 激 光 束 在 计 算 机 的 控 制 下 以 一 定的扫描速度和能量在预先铺好的粉末上根据识别 的分层信息进行有选择的扫描烧结。当第一层烧结 完毕后， 工作台下 降 一 个 层 厚， 铺 上 新 粉， 进行第二 层的扫描烧结。 如 此 反 复 循 环 扫 描， 即可完成三维 实体模型的制作。
（-）
式中
— —材料的比热容 !— — —粉末材料密度 "— — —粉床的有效热传导率 %<— 在整个 %&’# 是 一 个 非 常 复 杂 的 热 处 理 过 程，
。液相烧结 的 基 本 原 理 为： 对于多组元金属
粉末而言， 烧结时仅低熔点金属粉末熔化， 通过已熔 化的低熔点、 液态 的 金 属 流 动 把 未 熔 化 的 结 构 金 属 粉末粘结在一起； 对 于 单 组 元 金 属 粉 末， 烧 结 时， 当 最高温度超过金 属 粉 末 的 熔 点 时， 金属粉末表层生 成液相作为粘结 剂 粘 结 金 属 粉 末， 由于平均温度低 于金属粉末的熔 点， 因此未生成液相的金属粉末仍 保持其固相骨架来作为结构粉末。
!"
#$%$&’()%* +),$% - .)/,’&0 12 $%013’,45/ 2135 61137’&$,) 5)$/*38 ’&0 5$64’&)/ - 9#:;< = >?:! ， #316))7’&0/， @3$*&/64A’&0， B)35$&C，DEED ："! F "G 王立平 - 圆 度、 圆柱度误差测试理论及采样技术研究 西安：西安交通大学，DE"H 费 斌，范裕健，徐文雄 - 一种用于 形 状 误 差 测 量 的 采
-C
工 具 技 术
连续移动的三维瞬态温度场有限元模拟以及各种热 物性参数变化规律的研究探讨相对较少。由于金属 粉末的种类较多， 对每一种金属都进行烧结以研究 其温度场的分 布 既 无 经 济 性 又 无 可 行 性。 此 外， 由 于金属粉末的烧结具有温升快、 温度高、 作用范围小 等特点， 用实验的 方 法 获 取 其 温 度 场 的 分 布 有 很 大 困难， 而通过有限 元 模 拟 和 一 定 的 实 验 验 证 来 研 究 其温度场的分布不失为一种合理可行的方法。大型 有限元软件 !"#$# 在 网 格 划 分、 相 变 潜 热 的 处 理、 变热物性参数的处理等方面有着独特的优势。在清 晰、 直 观 地 显 示 模 拟 结 果 方 面， !"#$# 更 有 独 到 之 处， 可以将结果用 彩 色 等 值、 矢 量 图、 梯度以及动画 等形式 展 现 出 来。 基 于 上 述 考 虑 本 文 利 用 !"#$# 软件建立了 %&’# 金属粉末激 光 直 接 多 道 烧 结 的 三 维瞬态有限元模型。
［! ， I， G， S］ 物材料和覆 膜 金 属 粉 末 的 研 究 方 面 ， 而且大
多数文献建立的 是 二 维 烧 结 模 型， 对于金属粉末的
/’0& $&7 ?$&*2$6,*3’&0，DEE< ，GH ：DIS F DGE I! ; + #4’%%’T/，@ @1364$37,，U . :/,)%)3，V14& @*,,3)// - .4) )/,’5$,’1& 12 5)$/*3)5)&, *&6)3,$’&,C 12 /5$%% 6’36*%$3 2)$,*3)/ 5)$/*3)7 WC 61137’&$,) 5)$/*3’&0 5$64’&) - #3)6’/’1& :&0’8 （!） ："H F EE &))3’&0 ，DEE" ，!! II U)1&8;)1X Y’5，;4’($X*5$3 Q$5$& - Z& ,4) /)%)6,’1& 12 2%$,8 &)// 5)$/*3)5)&, T1’&,/ ’& 61137’&$,) 5)$/*3’&0 5$64’&) ’&8 /T)6,’1&- 9&,)3&$,’1&$% V1*3&$% 12 ?$64’&) .11%/ [ ?$&*2$68 ,*3)，!JJJ ，GJ ：G!H F GII 第一作者： 郑育军， 硕士研究生， 华侨大学机电及 自 动 化 学院， I<!J!D 福建省泉州市
!JJ< 年第 GJ 卷 ‘DD
DI
金属粉末激光烧结温度场的三维有限元模拟
郭华锋 周建忠
江苏大学
摘 要： 综合考虑热传导、 热辐射和热对流及变热物性参数， 基于 R\;O; 平台建立了连续移动的三维瞬 态 金 属
胡增荣
粉末直接激光烧结温度场的有限元模型； 利用 R#+P 参数化 设 计 语 言 实 现 热 源 移 动， 利 用 焓 处 理 相 变 潜 热 的 影 响， 对水雾化铁粉的烧结成型温度场进行 了 模 拟， 系统分析了激光熔池的加热和冷却规律及温度场随时间的变化规 律。模拟结果表明： 随着时间的增加， 由于热积累效应使得激光熔池的温度越来 越 高； 彗星状温度云图的最高温度 并不在激光光斑中心而是稍微滞后； 模拟结果显示烧结过程中将产生液相， 这与先前的实验结果吻合较好。 关键词： +?P;， 瞬态温度场， 相变潜热， 有限元模拟
I ! "#$#%& ’(&)&$% *#)+(,%#-$ .-/ 0&)1&/,%+/& "#&(2 -. !#/&3% 4&%,( 5,6&/ *#$%&/#$7
B*1 L*$2)&0 ]41* V’$&N41&0 L* ])&031&0
896%/,3% ：.431*04 ,4) 615T3)4)&/’() $&$%C/’/ 213 ,4)/) 2$6,13/ /*64 $/ 4)$, 61&7*6,’1&，4)$, 3$7’$,’1&，4)$, 61&()6,’1& $&7 64$&0)$W%) ,4)35$% T31T)3,C T$3$5),)3/，,4) 61&,’&*1*/ 51(’&0 $&7 I+ ,3$&/’)&, /,$,) ^: 517)% 12 ,4) ,)5T)3$,*3) 2’)%7 12 7’3)6, （ R\8 5),$% %$/)3 /’&,)3’&0 4$/ W))& )/,$W%’/4)7 W$/)7 1& R\;O; /12,A$3) - .4)35$% 3)/1*36) 51(’&0 4$/ 6$33’)7 1*, WC */’&0 R#+P ;O; #$3$5),3’6 +)/’0& P$&0*$0)）$&7 ,4) )22)6, 12 T4$/)864$&0) %$,)&, 4)$, 4$/ W))& 61&/’7)3)7 WC */’&0 )&,4$%TC - .4) /’&,)3’&0 ,)5T)3$,*3) 2’)%7 12 A$,)3 $,15’N$,’1& ^) T1A)3 4$/ W))& /’5*%$,)7，,4) 4)$,’&08611%’&0 T316)// $&7 ,)5T)3$,*3) 2’)%7 64$&0)$W%) T316)// A’,4 ,’5) 12 %$/)3 51%,)& T11% 4$() W))& 6$3)2*%%C $&$%CN)7 - .4) /’5*%$,’1& 3)/*%,/ /41A ,4$, A’,4 ,4) ,’5) ’&63)$/’&0，,4) ,)5T)3$,*3) 12 ,4) 51%,)& T11% W)615) 4’04)3 W)6$*/) 12 ,4) 4)$, $66*5*%$,’() )22)6,，,4) T1/’,’1& 12 ,4) 4’04)/, ,)5T)3$,*3) T1’&, 12 ,4) 615),8/4$T) ,)5T)3$,*3) &)T4103$5 ’/ &1, ’& ,4) 6)&,)3 T1’&, 12 ,4) %$/)3 W)$5 W*, /%’04,%C %$00)7 $&7 ’, T317*6) %’M*’7 T4$/) ’& ,4) /’&,)3’&0 T316)// A4’64 $03))/ A’,4 ,4) T3)(’1*/ )_T)3’5)&,$% 3)/*%, A)%% ， ,3$&/’)&, ,)5T)3$,*3) 2’)%7， T4$/)864$&0) %$,)&, 4)$,， 2’&’,) )%)5)&, :&;<-/26： 7’3)6, 5),$% %$/)3 /’&,)3’&0（ +?P;） /’5*%$,’1&