激光选区熔化过程中熔池温度场及形貌演化的数值模拟

摘要

作为当前制造业的前沿技术，激光增材制造能够实现高性能金属构件的无模具、高柔性、快速近净成形，具有非常广阔的应用前景。激光增材制造主要包括激光立体成形和激光选区熔化两种技术。对激光选区熔化而言，其过程涉及复杂多物理场耦合行为，仅通过实验观测很难获得精准的熔池形貌、尺寸及温度场等演化信息，从而限制了成形质量的控制与优化。数值模拟技术具有易操作、成本低等优点，为激光选区熔化研究开辟了一条有效途径。本文采用FLOW-3D模拟软件，研究了TC4钛合金激光选区熔化单层单道以及单层多道扫描过程中熔池温度场分布和形貌的演化规律，探讨了激光选区熔化过程中成形缺陷的形成原因，并阐述了熔池流动演化规律及机理，研究结果可为激光选区熔化工艺参数选择及优化提供指导。论文的主要结论如下： 1.获得了不同工艺参数下，激光选区熔化熔池温度场及形貌尺寸的演化规律。随着扫描功率的增加，熔池最高温度随之增加，熔深和熔宽也增加；而随着扫描速度的增加，熔池最高温度降低，熔深随之也降低，但熔长反而增大；同时发现，当粉末颗粒粒径较小时，能够获得优异的表面质量。以表面粗糙度为量化标准，确定了最优工艺参数为：激光功率P=500W，扫描速度v=0.8m/s，粉末粒径d=15μm-30μm。 2．球化现象形成最根本原因是粉末层没有吸收到足够的热量而使基板熔化，提高激光功率和降低粉末层厚度是有效消除球化现象的有效方法；而随机排布的粉末在熔池边缘与熔池不规则粘附必然导致不平直现象，细化颗粒可有效减小但不能彻底消除扫描过程中的单道不平直现象。 3.获得了多道扫描过程中扫描路径和扫描间距对熔池缺陷的影响规律。相对于S型扫描路径，Z型扫描方式能够有效消除折返处的热量积累；扫描间距应等于单道有效宽度，即基板熔化区域的宽度，这样能够有效提高熔化沉积效率和能量利用率。 4．随着激光输入能量的增大，熔池内的对流加速了传热传质，熔池内的流体由内向外传输，熔池变得宽而浅，能得到致密的粉末层，熔池内的熔体有明显从高温区向低温区运动的趋势；反冲压力除了使光斑处产生凹陷，也使熔池有向后流动的趋势。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 增材制造技术概述

1.2.1 增材制造技术原理

1.2.2 增材制造技术的优点

1.2.3 选区熔化技术

1.3 增材制造过程建模的研究现状

1.3.1 简化的连续体模型

1.3.2 介观尺度模型

1.4 本领域存在的主要问题

1.5 本论文主要研究内容和方法

2 激光选区熔化数值模拟方法和模型

2.1 模型建立

2.1.1不同颗粒大小分布的粉末层

2.1.2 模型网格划分

2.1.3 自由液面的求解方法

2.2物理现象描述

2.2.1 激光热源选取

2.2.2 熔池内的传热及流动

2.2.3 边界条件

2.2.4 初始条件

2.2.5 物理现象求解方法

2.3 材料参数

2.4 技术路线

2.5 本章小结

3 激光选区熔化熔池温度场模拟研究

3.1 熔池温度场的基本特征

3.1.1 温度变化特征

3.1.2 实验验证

3.2 不同工艺参数对温度场的影响

3.2.1激光扫描功率对温度场的影响

3.2.2激光扫描速度对温度场的影响

3.2.3粉末颗粒粒径大小对温度场的影响

3.3 表面粗糙度与成形关系

3.4本章小结

4 激光选区熔化过程缺陷形成分析

4.1 单道成形缺陷的形成机理

4.1.1球化现象

4.1.2单道不平直现象

4.1.3单道成形缺陷的影响因素

4.2 单层多道成形缺陷研究

4.2.1扫描路径

4.2.2扫描间距

4.3 本章小结

5 激光选区熔化过程熔池形成分析

5.1 能量密度对熔池流动影响

5.2 典型工艺参数下熔池流动分析

5.3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献