选区激光熔化AlSi10Mg温度场及应力场数值模拟研究

摘要

本文基于ANSYS平台利用有限元分析的方法对选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）AlSi10Mg过程中的温度场进行了模拟，研究了激光功率和扫描速度对SLM过程热行为的影响。研究发现：当激光功率增加时，熔池的冷却速度和温度梯度均呈增加趋势，而且激光功率对温度梯度的影响更加显著；当扫描速度增加时，熔池的冷却速度明显升高，温度梯度却略有降低。此外，随着激光功率增加或扫描速度的降低，熔池中液相存在时间及熔池的尺寸逐渐增大。当激光功率为250 W且扫描速度为200 mm/s时，熔池的宽度（111.4μm）和深度（67.5μm）较为合适，能够保证扫相邻层之间结合良好，利于SLM过程的顺利进行。
　　在温度场的计算基础上，利用热-结构间接耦合的方法建立 SLM增材制造 AlSi10Mg过程中的应力场模型，进一步研究激光功率和扫描速度对SLM过程中热应力的演变规律及制件的残余应力分布情况的影响。研究发现：SLM过程中热应力随激光的移动呈波动性变化，激光辐照区域的材料发生膨胀变形，熔池附近极小范围区域内的σx和σy出现负值，即处于压应力状态。激光已扫描区域主要表现为拉应力，而且沿扫描方向的应力σx大于垂直于扫描方向的应力σy。制件的表面残余应力主要为拉应力，且制件表面中部位置的残余应力高于边缘位置的残余应力。最大残余应力出现在熔化层和基板的界面结合处，此处最易发生翘曲变形甚至开裂。当激光功率由200 W增至300 W时，最大残余拉应力由257 MPa增至340 MPa；当扫描速度由200 mm/s增至400 mm/s时，最大残余拉应力由257 MPa增至270 MPa，即激光功率对制件最终的残余应力的影响比扫描速度大。
　　通过实验的方法观察分析不同工艺参数下的显微组织以验证模型的可靠性，在一组优化的工艺参数下：激光功率P=250 W、扫描速度v=200 mm/s，成功制备出无孔洞、无裂纹及表面相对光滑的SLM制件。最后利用显微硬度压痕法测量SLM制件的表面残余应力，并与模拟结果相比较，发现两者得到的残余应力结果偏差不大，模拟结果能够大致呈现出SLM制件的残余应力随激光工艺参数而变化的趋势。

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注 释 表

缩 略 词

第 一 章 绪 论

1 .1増 材 制 造 技 术

1 .2铝 合 金 材 料 SLM 研 究

1.3 SLM 技 术 概 述

1 .4 数 值 模 拟 方 法 介 绍

1.5 SLM 技 术 温 度 场 数 值 模 拟 现 状

1.6 SLM 技 术 应 力 场 数 值 模 拟 现 状

1 .7 本 课 题 主 要 研 究 内 容 及 方 法

1 .8本 文 结 构 安 排

第 二 章 SLM 过 程 有 限 元 分 析 方 法

2.1 SLM 温 度 场 数 值 模 拟 基 本 理 论

2.2 SLM 应 力 场 数 值 模 拟 基 本 理 论

2 .3材 料 属 性

2 .4 本 章 小 结

第 三 章 SLM 过 程 温 度 场 数 值 模 拟 研 究

3 .1温 度 场 求 解 设 置

3 .2 结 果 与 讨 论

3.3 本 章 小 结

第 四 章 SLM 过 程 应 力 场 数 值 模 拟 研 究

4 .1 热 -结 构 模 型 的 基 本 设 置

4 .2设 定 模 型 边 界 条 件 及 求 解 应 力 场

4 .3 应 力 场 模 拟 结 果 与 讨 论

4 .4 本 章 小 结

第 五 章 实 验 及 残 余 应 力 测 试

5.1 SLM 实 验 所 用 粉 末 材 料

5.2 SLM 实 验 方 法

5 .3 残 余 应 力 测 试 方 法

5 .4 实 验 结 果 与 分 析

5 .5 本 章 小 结

第 六 章 结 论

参考文献

致谢

攻 读 硕 士 学 位 期 间 发 表 的 学 术 论 文