發(fā)布時間：2020-08-23 23:01

【摘要】：激光選區(qū)熔化技術是一種利用金屬粉末在激光束的熱作用下經(jīng)完全熔化后冷卻凝固而成形的金屬增材制造技術,其具有成形精度高、成形件力學性能好、生產(chǎn)周期短、加工材料范圍廣等優(yōu)點,非常適合小批量復雜結構件的生產(chǎn),被廣泛應用于航空、航天、醫(yī)療以及工業(yè)制造領域。在激光選區(qū)熔化過程中,線能量密度直接決定了熔池的尺寸及熔道的成形質量,此外熔池內(nèi)復雜的流體流動和快速變化的氣液界面等物理現(xiàn)象直接影響著成形件的微觀組織和機械性能,通過數(shù)值模擬再現(xiàn)這些物理現(xiàn)象來加深理解激光選區(qū)熔化的成形機理已經(jīng)成為一種重要的手段。本文以激光選區(qū)熔化加工Ti-6Al-4V合金過程中熔池尺寸、熔池內(nèi)的流體流動以及氣液界面行為為研究對象,建立了采用VOF方法追蹤熔池自由界面的物理模型。模型中建立了具有不同粉層厚度的粉末床模型,其中粉末的粒徑分布與實驗測量結果相一致,且具有隨機分布的特點。激光熱源為拋物線旋轉體熱源(粉末層下半部)與圓柱體熱源(粉末層上半部)的組合熱源,并通過在熱源中引入C_VOF乘積因子來實現(xiàn)激光熱源僅在作用區(qū)域內(nèi)金屬相與氣相界面單元位置處的加載。同時進行了多組單道掃描實驗,相應參數(shù)下的模擬結果與實際熔池尺寸的匹配性驗證了模型的準確性。本文模擬了激光選區(qū)熔化加工過程中,不同激光功率、掃描速度、粉層厚度及掃描間距對熔池尺寸、熔池內(nèi)的流體流動情況及氣液界面行為的影響。獲得了不同工藝參數(shù)下的熔池溫度分布及熔池表面形貌特征。并對不同工藝參數(shù)下的熔池尺寸變化規(guī)律進行了統(tǒng)計和分析,擬合出了熔池深度及寬度隨線能量密度(激光功率和掃描速度的比值)的變化關系。對于激光功率為300W,掃描速度為1.5m/s,粉層厚度為40um的掃描參數(shù),當激光掃描300us時,熔池尺寸基本穩(wěn)定,此時熔池的深寬比約為0.5。此外,隨著激光功率的增加和掃描速度的下降,熔池的深度及寬度不斷增大;隨著掃描速度的增加,熔池的深度及寬度呈指數(shù)分布減小。當實際鋪粉厚度為40um時,為了保證成形質量,線能量密度的閾值大約為170J/m。隨著粉層厚度的增加,熔道表面的平整度下降,當粉末層厚大于80um時,熔道中存在多處凹陷。通過研究單道及雙道掃描過程中氣液界面附近熔融金屬的流動過程可以看出,對于單道掃描,影響氣孔形成的因素主要為掃描速度和粉層厚度,掃描速度過快或粉層厚度過大不利于粉末空隙中氣體的逸出。對于雙道掃描,影響氣孔形成的因素主要為掃描間距,隨著掃描間距的增加,氣孔的數(shù)量逐漸增加。在粉末層厚為60um,激光功率為300W,掃描速度為1.5m/s的參數(shù)下,為了保證成形質量,掃描間距應該控制在130um以下。上述模擬結果對激光選區(qū)熔化過程中工藝參數(shù)對成形質量的影響進行了量化,對實際的工藝參數(shù)設置具有一定的指導作用。
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN249

【參考文獻】

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1 沈以赴;顧冬冬;李守衛(wèi);李昊;;多組元金屬粉末選區(qū)激光燒結三維瞬態(tài)溫度場模擬[J];南京航空航天大學學報;2008年05期

2 石力開;高士友;席明哲;紀宏志;張永忠;杜寶亮;;金屬直薄壁件激光直接沉積過程的有限元模擬 Ⅰ．沉積過程中溫度場的模擬[J];金屬學報;2006年05期

本文編號：2802140