选区激光熔化AlSi10Mg成形过程数值模拟与实验研究

摘要

选区激光熔化技术（SLM）作为最重要的金属增材制造技术之一，由于能够快速将复杂结构的三维数据模型直接制造成实体零部件，目前已经得到广泛关注和大量研究。AlSi10Mg具有密度低、比强度高、导电导热性能优异以及良好的铸造性能和焊接性能等一系列优点，被广泛应用于汽车、航空航天等领域。但是AlSi10Mg在SLM成形过程中，材料的快速熔化和凝固容易造成熔池不稳定，从而致使零件产生孔隙、裂纹、翘曲变形等缺陷。针对以上问题，本文利用模拟的方法对SLM成形过程中熔池的温度场和应力场进行模拟，通过优化工艺消除缺陷，并进行实验验证。具体工作如下： 利用ANSYS参数化设计语言（APDL）建立SLM成形AlSi10Mg的有限元模型，模型为三层五道，充分考虑了材料热物性参数随温度的变化、相变潜热、材料属性转化、铺粉时间、对流和辐射等情况。 基于SLM成形AlSi10Mg的有限元模型，研究不同曝光时间（ET）和点间距（PD）对SLM成形AlSi10Mg热行为的影响。研究发现：随着ET的增加和PD的降低，熔池的最高温度、液相时间和熔池尺寸增加，冷却速度降低，PD对液相时间和冷却速度的影响更为显著。 基于温度场的计算结果，利用热-结构间接耦合的方法建立SLM应力场模型，研究应力的分布特征和演变规律，以及ET和PD对残余应力的影响。研究发现：随着ET的增加，最高残余应力和最低残余应力逐渐增大。随着PD的增加，最高残余应力先增大后减小，最低残余应力逐渐减小。这是因为过高的PD容易导致熔池搭接不良，甚至出现未融合粉末，降低残余应力。 通过实验的方法分析不同工艺下的熔池形貌和缺陷，对模型进行验证，将模拟和实验结合，揭示ET和PD对粗糙度、熔池形貌、缺陷、显微硬度的影响。研究证实当ET=140μs，PD=80μm时，可以成功制备致密度高、表面光滑的SLM零件。此外发现，零件侧面粗糙度之间的差异与铺粉方向和气流方向有关，合理的零件摆放和合适的旋转增量角可以缩小这种差异。

目录

声明

1. 绪论

1.1.1增材制造技术应用

1.1.2 SLM技术原理

1.1.3 SLM技术发展现状

1.2铝合金SLM成形研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4选题背景及意义

1.5本课题主要研究内容及技术方案

2. SLM过程有限元分析

2.1.1温度场模拟的基本理论

2.1.2应力场模拟的基本理论

2.1.3 SLM成形有限元模型建立

2.2有限元模拟的关键技术

2.2.1材料热物性参数

2.2.2相变潜热的处理

2.2.3生死单元技术

2.2.4高斯热源的加载

2.2.5材料属性的转换

2.3本章小节

3. SLM成形温度场模拟结果与分析

3.1温度场分布特征

3.2曝光时间和点间距对SLM热行为的影响

3.3曝光时间和点间距对熔池尺寸的影响

3.4本章小节

4. SLM成形应力场模拟结果与分析

4.2应力场分布特征

4.3热应力演变规律

4.4曝光时间和点间距对残余应力的影响

4.5本章小节

5. SLM成形AlSi10Mg实验研究

5.1.1粉末与装备

5.1.2工艺设置

5.1.3实验检测与表征

5.2表面形貌与粗糙度

5.3熔池尺寸验证

5.4 熔池形貌与缺陷

5.5致密度与显微硬度

5.6本章小节

6. 结论与展望

6.2主要创新

6.3展望

参考文献

攻读硕士期间所取得的成果

致 谢