激光微燒結金屬粉末的溫度場和應力場的數值模擬研究.pdf

1、激光微燒結技術（Laser micro sintering, LMS）基于“離散—堆積”原理，采用分層制造、逐層疊加的方式，可以從三維CAD模型和金屬粉末直接制備高性能和形狀復雜的微小零件。由于該技術使用了微小激光光斑、微細金屬粉末和超薄鋪粉層厚，因此制備的金屬零件具有空間分辨率高、表面粗糙度小等優(yōu)點。但是，目前激光微燒結技術還處于起步階段，其研究還不夠系統(tǒng)和全面，特別是與其物理過程和成形過程聯(lián)系密切的溫度場和應力場的研究目前國內外都鮮

2、有報道。與一般的激光加工技術如選區(qū)激光燒結技術相比，LMS模擬所需的空間域網格劃分和時間域時間步長都小得多，而且LMS加工過程中的熱源類型、邊界條件和材料熱物性參數的設定均有其特點。本論文根據 LMS的特點，從邊界條件參數、材料熱物性參數和激光工藝參數等方面開展研究，建立了LMS有限元模型，對LMS加工過程中單道和多道的溫度場和應力場進行了模擬，獲得了LMS加工過程中溫度場、熔池、應力場和尺寸精度的演變規(guī)律。本論文的主要研究內容及取得的

3、研究成果如下：
　?。?）根據LMS成形的特點建立了LMS有限元模型，該模型不僅包含了高斯分布的移動體熱源子模型，而且包含了考慮吸收率、有效導熱系數、體積熱焓以及固液相變潛熱等熱物性參數隨材料物相、孔隙率和溫度變化的“粉末相—實體相”子模型。
　?。?）研究了LMS有限元模型中空間域離散和時間域離散的各自特點。一方面采用“點—線—面—體”自下而上地構建分區(qū)域等比漸變網格來進行空間域離散，另一方面使用與“粉末相—實體相”轉變子

4、模型相匹配的分時段精細化的時間步長來進行時間域離散。并提出使用包含時空變量的四維表格數組來實現移動體熱源。
　?。?）研究了單道成形的溫度場和熔池演化規(guī)律。研究結果表明：前端激光已輻照區(qū)域對后端未輻照區(qū)域有預熱作用，該預熱機制由于實體與金屬粉末導熱系數巨大的差異而分為兩個明顯的階段，隨著激光的靠近，從前一階段的“基底到粉床”快速地向后一階段的“粉床到粉床”轉變。后端激光已輻照區(qū)域對前端已輻照區(qū)域有后熱作用，導致掃描路徑某一位置的熔

5、池寬度和深度達到最大值的時刻，滯后于激光光斑中心輻照該位置的時刻及其溫度達到最大值的時刻。
　?。?）研究了多道成形的溫度場和熔池演化規(guī)律。研究結果表明：粉床的最高溫度、熔池長度和寬度隨著激光光斑直徑和激光掃描速度的減小而增加，卻隨著激光功率的增加而增加。粉床最高溫度、熔池長度和深度均隨著掃描道數增加而增加，而熔池寬度的變化趨勢則是先減小后增大。其中熔池深度和長度的相對增量相當，都大于熔池寬度的相對增量。而隨著掃描道數的增加，粉床

6、溫度的溫升與熔池尺寸的增量將逐漸減少。熔池的形狀關于光斑中心呈不對稱分布，其中心朝x負方向（平行于激光掃描方向）和y正方向（垂直于激光掃描方向）有一定偏離，并且位于實體相一側的最高溫度較之粉末相一側更低。
　?。?）建立了LMS熱應力有限元分析模型，就激光工藝參數對應力場的影響進行了研究，發(fā)現殘余熱應力隨著激光功率和掃描速度的增加而增加；應力最大的地方位于燒結區(qū)域和基底的結合處，并且在垂直于激光掃描路徑的方向上，燒結實體先受到拉應

7、力，接著過渡到壓應力，壓應力逐漸增加到達最大值后開始減小，在接近燒結成形區(qū)域又會增大。
　　（6）實驗驗證了LMS有限元模型的有效性。首先通過比對激光單道掃描燒結寬度的方法對LMS模型進行了實驗驗證，在實驗工藝參數窗口內，模擬預測值與對應實驗值的相對預測誤差在16％以下。隨后分別與傳統(tǒng)有限元模型進行了對比，結果表明本論文所采用的體熱源子模型以及具有粉末吸收率變化特點的粉末相到實體相轉變子模型所預測的溫度場分布更為合理。