建立了Ti C/Inconel 718復(fù)合材料體系選區(qū)激光熔化三維有限元模型,在考慮了相變潛熱,熱傳導(dǎo)/對(duì)流/輻射多重傳熱機(jī)制和隨溫度變化的熱物性參數(shù)條件下,使用ANSYS二次開發(fā)語言APDL實(shí)現(xiàn)了高斯激光熱源的移動(dòng),并利用"生死單元"完成了多層多道的能量加載,研究了其選區(qū)激光成形的熱物理機(jī)制。結(jié)果表明:溫度變化率與工藝參數(shù)（激光功率和掃描速度）存在正對(duì)應(yīng)關(guān)系,最高可達(dá)7.03×10⁶℃/s。當(dāng)掃描速度過快（300 mm/s）或激光功率過低（50 W）時(shí),獲得的熔池溫度低（1991℃）,液相存在時(shí)間過短（0.29 ms）,而且液相量少,粘度大,不利于液相金屬在粉末間隙中的鋪展和潤(rùn)濕,易于在制件中形成不規(guī)則孔洞,增加制件孔隙率;在優(yōu)化的工藝參數(shù)P=100 W,v=100 mm/s下,重熔深度（15.1μm）、重熔寬度（35.0μm）、液相存在時(shí)間（1.2 ms）、熔池最高溫度（2204℃）和溫度變化率均較為合適,易于獲得冶金結(jié)合良好的SLM制件。對(duì)Ti C/Inconel 718混合粉末進(jìn)行了選區(qū)激光熔化實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。 

【文章來源】：稀有金屬材料與工程. 2017,46(06)北大核心EISCICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

SLM過程激光掃描路徑和3D有限元模型

第6期石齊民等：TiC/Inconel718復(fù)合材料選區(qū)激光熔化成形的熱物理機(jī)制·1545·1.5溫度場(chǎng)求解設(shè)置SLM過程激光掃描路徑及有限元模型見圖1。基板為45#鋼，尺寸為0.9mm×1.7mm×0.3mm；粉層材料為TiC/Inconel718，尺寸為0.56mm×1.4mm×0.1mm。選用ANSYSSoild70熱單元作為粉層網(wǎng)格劃分的單元類型，網(wǎng)格尺寸為0.0175mm×0.0175mm×0.025mm；基板選用四面體單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。加工參數(shù)見表3。2結(jié)果與討論2.1熔池特征及尺寸變化規(guī)律圖2為相鄰層中心位置處熔池上表面及縱截面的溫度場(chǎng)分布。在移動(dòng)熱源作用下，熔池上表面形成一系列橢圓形等溫線，且熔池前端等溫線比其后端更加密集。這是由于熔池后端的粉體向固體轉(zhuǎn)變而使熱導(dǎo)率增加，加速了熱量傳遞，而熔池前端尚處于粉體狀態(tài)，熱導(dǎo)率較低，熱量無法有效傳遞致使熔池前端溫度梯度較大，等溫線較密集。圖中黑色虛線為TiC/Inconel718的熔化線(1300℃)，虛線以內(nèi)形成熔池。點(diǎn)2處熔池寬度(98.5μm)、長(zhǎng)度(121.5μm)、深度(65.5μm)和熔池最高溫度(2204℃)較點(diǎn)1分別增加了8.6%,7.4%,5.8%和3.8%。這是由于SLM過程存在熱積累效應(yīng)，SLM過程中，熱傳導(dǎo)為主要傳熱形式，成形層數(shù)的增加削弱了熱傳導(dǎo)的傳熱能力，減小了激光能量的損失，使得高粉層處的溫度較高及熔池尺寸較大[13]。圖1SLM過程激光掃描路徑和3D有限元模型Fig.1Laserscanningpattern(Point1atthecenterofthefirstlayer,Point2atthecenterofthesecondlayer)(a)and3Dfiniteelementmodel(b)inSLMprocess表3有限元模擬參數(shù)Table3FiniteelementsimulationparametersParameterValueAbsorptivity,A0.7[16]Powderlayerthickness,d/μm50Laserspotsize,D/μm70Hatchspacing,s/μm50Ambienttemperature,T0/℃20Las

·1546·稀有金屬材料與工程第46卷圖3不同工藝參數(shù)下SLM成形TiC/Inconel718過程的熔池尺寸Fig.3ThreedimensionsofthemoltenpoolduringSLMprocessofTiC/Inconel718powderwithdifferentscanspeeds(P=100W)(a),anddifferentlaserpowers(v=100mm/s)(b)2.2熔池?zé)嵝袨檠葑儥C(jī)制圖4為不同工藝參數(shù)下激光與粉體交互作用區(qū)域中的重熔寬度和深度。當(dāng)v=300mm/s,P=100W時(shí)，重熔深度為–1.1μm，表示上下粉層未接觸結(jié)合；當(dāng)v=200mm/s,P=100W時(shí)，重熔寬度(29.0μm)和深度(8.5μm)為正數(shù)，實(shí)現(xiàn)了相鄰掃描道和相鄰層之間的接觸結(jié)合，但重熔深度較小，相鄰粉層之間冶金結(jié)合性能較差；當(dāng)v=50mm/s,P=100W時(shí)，重熔深度(32.5μm)和寬度(75.0μm)過大，過度重熔易導(dǎo)致過大的應(yīng)力累積[17]，引起制件開裂(圖4a)。相鄰層和相鄰掃描道之間合適的重熔深度和寬度保證了制件冶金結(jié)合良好，高尺寸精度和高致密度。圖5為v=100mm/s時(shí)，典型激光功率下的溫度場(chǎng)分布。結(jié)合圖4c中的重熔尺寸可以發(fā)現(xiàn)與上述相似的規(guī)律。當(dāng)P=50W,v=100mm/s時(shí)，重熔寬度和深圖4不同工藝參數(shù)下SLM過程的重熔寬度和深度Fig.4RemeltedwidthandremelteddepthduringSLMprocessunderdifferentprocessingparameters:(a)differentscanspeeds(P=100W),(b)schematicoftheremeltedwidth(P3ontheleftofpoint2),(c)differentlaserpowers(v=100mm/s),and(d)schematicoftheremelteddepth(P4beneathpoint2)501001502002503005075100125150175200MoltenpoolwidthiDmension/mScanSpeed/mm·s-1aMoltenpoollengthMoltenpooldepth50751001250306090120150180210240MoltenpoolwidthiDmension/mLaserPower/WbM

【參考文獻(xiàn)】：
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