金属增材制造中热力学耦合行为数值模拟研究

摘要

增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗称3D打印，作为第三次工业革命的核心科技之一，随着科技和智能制造的发展越来越成熟。增材制造技术作为快速成型的一种，是以计算机三维数字模型文件为基础，运用各种可粘合材料如金属合金、塑料、橡胶、高分子复合材料等通过激光或者电子束逐层扫描、材料逐层叠加的方法来实现构造产品的过程。随着研究的不断深入，增材制造技术将会成为具有巨大发展潜力的制造技术，同时也会给装备制造业带来革命性的变化。电子束熔融技术（EBM）作为增材制造技术中新兴的打印形式之一，已经被广泛用于多种行业，如机械工程和航空航天领域等。同时，由于电子束具有高能量和高吸收率被广泛应用于3D打印中。然而，由于不成熟的加工工艺等问题会影响产品的微观机理和力学性能，如产品出现断裂、分层、气孔等缺陷。 本文主要利用商业有限元软件ABAQUS对Ti-6Al-4V金属合金材料在电子束熔融增材制造过程中的热力学耦合行为进行了模拟分析。考虑到粉末的融化和固结会造成材料热属性和密度的变化，提出了改进的热传导分析模型，并分析了打印过程中熔池的几何尺寸，得到了与实验吻合良好的结果。基于改进的模型，进一步研究了热源功率和打印速度对熔池尺寸的影响，以及铺粉厚度和扫略间距对打印质量的影响。结果表明：当打印速度较低（0.2m/s～1m/s）时，其对熔池长度的影响不大，但是，熔池的宽度和深度随着打印速度的增加而显著减小；另外，随着热源功率的逐渐增加，熔池尺寸逐渐减小；当热源功率为80W，扫描速度为0.8m/s且铺粉厚度为30μm时，保持80μm的扫描间距不仅可以打印出质量更好的模型，同时也能大大提高能源利用率和打印效率，从而缩短产品的生产周期。此外，在模型温度和环境温度为20℃和730℃时，研究了其残余应力和变形行为，结果发现：模型和环境温度为730℃时试样的残余应力和变形较小。此结论表明，提前预热粉末床和环境温度有助于减小残余应力和膨胀变形。最后，本文还分析了铺粉和送粉两种方式对打印产品的影响。

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