选区激光熔化成形过程的应力场模拟及实验研究

摘要

选区激光熔化成形技术(Selective Laser Melting,简称SLM)是近十几年才发展起来的新型快速成型(Rapid Prototyping)技术,独特的优越性使其成为最有发展潜力的快速成型技术之一。SLM技术局部高温与快速冷却的特点,导致成形过程中不可避免地产生应力与应变,不但影响材料的成型性,而且对成形件的尺寸精度与性能产生重大影响。因此开展SLM成形过程温度场与应力场的研究对这项技术在工程应用上的推广具有重要意义。
　　本论文采用材料单元属性变换和单元生死技术相结合的方法,在考虑相变、材料热物性随温度的变化条件下对SLM过程的温度场进行了分析,探讨了扫描速度、激光功率、搭接率及扫描方式对温度场的影响。通过对比不同工艺参数发现:在本实验条件下,扫描速度和激光功率是影响熔池深度和瞬时最高温度的主要参数。
　　在温度场模拟的基础上,进一步分析了工艺参数对热应力演变及残余应力分布规律的影响。结果表明:热应力随光源的移动波动很大,但随着光源的远离,波动逐渐变小;在本实验条件下,扫描方式是影响热应力演变及最终残余应力的分布规律的主要原因;在扫描路径不变的情况下,不同工艺参数下的热应力演变规律相类似。
　　通过盲孔法与显微硬度压痕法对SLM成形件的残余应力进行了测量。通过与模拟结果的对比发现,三者在数值上略有不同,模拟结果与显微硬度法的测试结果更为接近。数值模拟在功率和搭接率对残余应力的影响上的预测较为成功。

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1 绪论

1.1 选区激光熔化成形技术简介

1.2 SLM快速成型过程温度场的研究现状

1.3 SLM快速成型过程应力场的研究现状

1.4 选题背景及意义

1.5 本课题研究内容及技术方案

2 SLM过程有限元分析的理论基础

2.1 温度场模拟的基本理论

2.2 热弹塑性理论

2.3 材料属性

2.4 本章小结

3 SLM过程温度场的数值模拟

3.1 温度场的求解设置

3.2 多层多道温度场的数值模拟

3.3 不同工艺参数对温度场的影响

3.4 本章小结

4 SLM过程应力场的数值模拟

4.1 应力场的求解设置

4.2 热应力的演化

4.3 不同工艺参数对应力场的影响

4.4 本章小结

5 SLM成形残余应力的测试与分析

5.1 实验材料

5.2 盲孔法

5.3 显微硬度测量残余应力

5.4 结果与分析

5.5 本章小结

6 结论

致谢

参考文献