选区激光熔化成形温度场模拟与工艺优化

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基金项目:国家科技型中小企业创新基金(项目编号:05C26214201059)

收稿日期:2007212214

　第28卷第3期 应　用　激　光

Vol.28,No.32008年6月

A P PL I ED LAS ER

J une 2008

选区激光熔化成形温度场模拟与工艺优化

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章文献,　史玉升,　李佳桂,　伍志刚

(华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074)

提要　在金属粉末的选择性激光熔化成形过程中,需要解决球化、翘曲、变形等难题。对于一定的金属粉末,通过优化成形工艺参数可以克服以上难题。为此,利用ANSYS 有限元法对成形过程的熔池及温度场模拟,建立有限元模型,分析得出成形过程熔池的深度和宽度,预测并优化成形过程的工艺参数。通过实验验证,应用有限元法优化后的成形工艺参数能够成形出复杂金属零件。

关键词　选择性激光熔化;　有限元模型;　熔池;　温度场

Simulation of T emperature Field for Optimization of Processing P arameters

of Selective Laser Melting Metal Powders

Zhang Wenxian ,　Shi Yusheng ,　Li Jiagui ,　Wu Zhigang

(S tate Key L aboratory of M aterial Processing and Die and Moul d Technology ,H uaz hong Universit y

of Science and Technology ,W uhan ,H ubei 430074,China )

Abstract The phenomena such as balling effect ,warp ,and distortion may occur in the process of selective laser melting (SL M )metal powders.These difficulties can be solved by optimizing the processing parameters during the process for a special metal powders.To optimize the parameters ,the temperature field and molten pool dimensions during the SL M process are modeled and simulated with ANSYS finite element method.The analysis results are given and optimum processing parameters are verified by forming complex structure lattice iron parts with the SL M technology.K ey w ords Selective laser melting ;　finite element model ;　molten pool ;　temperature field

选择性激光熔化(selective laser melting ,SL M )快速成形技术可以直接成形出高精度、综合机械性能好的金属零件。该技术基于离散-堆积成形原理,根据零件CAD 模型直接成形三维实体,成形过程中扫描选区内的金属粉末在激光辐照下完全熔化而获得近100%致密的金属零件[1]。目前,国外应用SL M 快速成形技术可直接制造模具、工具、生物移植物等,它们涉及机械制造、航空航天、生物医学等领域,具有很好的应用前景。

对于特定粉末材料的选择性激光熔化快速成形过程,其成形参数直接影响成形过程的顺利进行及成形零件的致密度、表面质量、成形精度等性能。因此,在成形工艺研究过程中要对成形工艺参数进行优化。然而,目前SLM 快速成形技术的成形工艺参数的优化主要在实验及经验的基础上进行总结,缺少系统科

学的优化理论来指导,不利于SLM 快速成形技术的机理及工艺研究。为此开展了有限元模拟SLM 快速成形过程的相关研究,目前主要有以下人员从事这方面的研究。Childs T.H.C 等人对无基板情况下的粉末单扫描成形截面形状以及面扫描成形层质量进行有限元模拟[2-5]。Shiomi M.等人应用有限元法模拟分析了无基板情况下的粉末面扫描成形层的二维温度场与残余应力[6]。Osakada K 等人也对无基板情况下的粉末面扫描时单层固化成形的应力分布应用有限元模拟进行分析,并提出解决单层固化成形时缺陷的方法[7,8]。因为以上研究主要是针对无基板情况下激光熔化过程中的单线扫描和单面扫描的粉床温度场和应力场的有限元模拟,其主要目的是向无基板下的选择性激光熔化快速成形技术方向发展。然而对于在基板上粉末的选择性激光成形过程的熔池及

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温度场的有限元模拟缺少分析。金属粉末的选择性激光熔化快速成形过程中存在球化、翘曲、变形等难题,除成形材料的成分要求严格外,优化成形工艺参数也是解决上述难题的重要手段。成形参数影响成形过程中的温度场、熔池宽度、深度,因此对成形过程的温度场、熔池的有限元模拟可以作为优化成形工艺参数的工具。为此,本文针对在不锈钢基板上选择性激光熔化-300目水雾化铁粉的成形过程中的熔池及温度场的有限元模拟,预测并优化SLM 成形工艺参数,并在HRPM 2IISLM 设备上用模拟出的较优工艺参数成形出复杂的网状金属零件。

1　有限元模型

金属粉末对1060nm 、1090nm 等较短波长的激光吸收效率高,吸收足够高的能量能使粉末完全熔

化并形成溶池。由于激光光斑尺寸小且粉末粒度小,所以粉末熔化成形过程中的熔池尺寸很小且存在时间极短(一般为0.5～25ms )[9]。粉末颗粒之间、颗粒与粉床之间的热传导、粉末与空气间的热对流和热辐射影响温度分布[10],为此作以下约定:(1)

金属粉末初始环境温度为298K (25℃

);(2)模拟过程中激光束间歇式以速度v 扫描粉床平面;(3)材料热物性参数随温度而变化,Fe 的热物性参数如表1;(4)模拟单元热载荷以热流密度加载,热流密度服从正态分布规律(公式1);(5)计算温度场分布要考虑相变潜热,相变潜热以不同温度下的焓值表示(公式3)。

热流密度为:

I =2A P

πr 2b

exp

-2r 2r 2b

(1)

平均热流密度为:

I m =1πr 2

b ∫r b

I (2πr )d r

=

2π

πr 2b

∫r b

2A P πr

2b

exp -2r 2r 2b

rd r =0.865A P

πr 2

b

(2)式中,A 为材料热吸收率;P 为激光功率;r b 为

有效光斑半径。

焓值为:

H =

∫

ρC (T )d T

(3)

式中,

ρ为密度;C (T )为比热容。1.1传热数学模型

根据能量守恒定律,熔池与周围空气和粉床的

热交换过程用热传导方程(4)表示[11,12]:

λe 92T 9x 2+92T 9y 2+92T 9z 2

+q c +q g =ρC 9T 9t (4)式中λe 为粉末有效的导热系数,T 为温度,t 为时间,ρ为粉末压实密度,C 为材料比热容,q c 为材料向空气散失的热量,q g 为激光功率密度。

假设:t =0时粉床温度为初始值T 0;t >0时,金属粉末表面单位面积所吸收激光的热量,等于该表面向粉末内部传入的热量、对流换热与表面辐射散失的各项热量之和。则有:

T (x ,y ,z ,0)=T 0 其中(x ,y ,z )∈D (5)λe 9T 9n -q +h (T -T 0)+σε(T 4-T 40)=0

(6)式中,λe 为金属粉末有效导热系数;T 为t 时刻

的材料表面温度;T 0为初始温度(环境温度);h 是对流换热系数;σ为Stefan 2Boltzmann 常量,其值为5.607×10-8W/m 2・K 4;ε为热辐射系数。1.2粉末热物性参数与工艺条件

铁与温度相关的热物性参数有温度T 、导热系数λ、比热容C 、密度ρ,具体参数如表1所示[13]:

表1　Fe 的热物性参数

T/K λ/(W ・m -1・K -1)

C /(J ・kg -1・K -1)ρ/(kg ・m -3)

273

57387311731473177374.755.538.228.232.232.2435.1552.3753.

1656.9640.2836.8787077707700762076307640

选择性激光熔化-300目水雾化铁粉成形过程的实验用到的参数是激光功率P 、光斑直径<、扫描速度v 、铺粉层厚d 和分组变向的扫描策略(图1),模拟实验参数如表2所示。

图1　分组变向扫描策略表2　S LM 实验工艺参数

P /W

Ф/mm

v /(mm ・s -1)d /mm

95

95700.0300.0300.030

100.050.050.00.10.10.1

由于金属粉末颗粒之间存在间隙,采用Gusa 2rov 模型来计算金属粉末颗粒的有效导热系数

λe

[14]。另外,金属粉末材料的热吸收率受激光波—

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