铝合金选区激光熔化的吸收行为模拟与实验研究

发布时间：2020-04-05 15:24

【摘要】：本文建立了三维介观尺度的激光吸收行为模型,以铝合金及其复合材料粉末为材料对象展开研究,采用线迹追踪法模拟选区激光熔化过程的激光吸收行为。该模型充分考虑了激光光线S极、P极偏振的菲涅尔吸收机制,粉末颗粒之间的相互作用以及粉末颗粒位置的随机分布等因素,模拟接近实际加工过程的松散粉床模型在三维高斯光源作用下的激光吸收机制。在理想密排堆垛的模型中,讨论了不同粒径铝合金粉末(10μm,20μm,30μm,40μm,50μm,60μm)粉床对激光的吸收率行为以及粉末颗粒表面的辐照度分布。研究发现:粒径较小的粉末颗粒会增强粉床对激光的多重反射作用,与激光产生交互作用的粉末颗粒较多,激光吸收率较高,粉末颗粒表面的辐照度较大,使粉床有足够的激光能量输入,提高熔池内的温度与累计的能量,进而使粉末颗粒充分熔化,提高成形件的质量。为了验证模拟结果的可靠性,本研究利用侧面实验的方法,在相同的工艺参数下用不同粒径的铝合金粉末做单道实验,对实验样品进行熔池成形质量分析,得到粉末颗粒粒径的影响规律与模拟结果一致。为了进一步优化粉床堆垛模型,本研究采用序列添加方法,得到了三维随机分布堆垛粉床模型,并在此基础上探究了增强相颗粒对基体粉床对激光吸收行为的影响。通过在铝合金粉末随机分布的基体粉床中添加小粒径的SiC和TiB_2增强相颗粒,建立了铝基复合材料的随机分布粉床模型,然后采用线迹追踪法模拟计算。研究得到:增强相粉末颗粒增加了粉床的受光面积,明显提升了激光吸收率和颗粒辐照度分布,追迹光斑数量的明显增多表明激光与粉末颗粒的交互作用明显加强,此外,由于SiC较优的光学参数,添加SiC颗粒的粉床比添加TiB_2颗粒的粉床对激光的吸收增强作用稍大。最后设计实验验证,通过SLM成形SiC增强铝基复合材料和TiB_2增强铝基复合材料块体并进行显微组织分析。可以得到,增强相颗粒的添加使激光辐射吸收更充分,熔池液相的温度提升,有利于改善熔池中液固界面的润湿行为,熔化过程中的液相能够顺利铺展,相邻激光扫描轨迹之间的冶金结合加强。对样品进行的SEM分析结果显示,颗粒增强铝基复合材料形成的熔池体积更大,表面质量更稳定,致密化程度更高,反映到块体的显微硬度也更高,实验结果间接验证了模拟研究的影响规律的可靠性。
【图文】：

示意图,成形装置,示意图,同轴喷嘴

铝合金选区激光熔化的吸收行为模拟与实验研究Selective Laser Melting，SLM）技术[19 21]，接下来我们详细沉积技术（LMD）技术结合了快速制造（增材制造）的逐层叠加的，，原材料实时同步送粉，具有喷粉成形的特点，在惰性气体的末然后快速凝固，用特制的同轴喷嘴在工作台基板上一层一。LMD 技术主要的应用领域有功能梯度材料成形、高附加涂层的制备等，并且由于其能够广泛灵活地实现材料选择和领域取得一定的优势[22 24]。LMD 技术的成形装置示意图送粉系统、保护气系统、带有同轴喷嘴的光学系统以及其他

示意图,成形原理,示意图

激光熔化（Selective Laser melting，SLM）是由德国的 Fraunhofer 激光技提出的，起初是为了解决选区激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS度，进而提高组织的致密度的问题进行的升级与优化工作，之后在和 Fockle 共同研发了第一台 SLM 设备。SLM 技术与 LMD 技术的最大采用的激光功率大小以及粉末的供给方式不同。SLM 与 SLS 技术的成形本相同，基本的工艺流程如图 1.2 所示，分为以下几步：（1）首先，在计三维建模模型并用专业切片软件进行切片处理，从而将想要成形的三维零截面切片数据；（2）其次，自动铺粉系统会从供粉缸向着成形台均匀得铺据切片数据信息，用高能激光束有选择性地熔化粉层特定区域，在快速的截面；（3）接下来，成形缸活塞将会下降一层粉末厚的距离，物料缸活距离，重复第二步直至逐层累计形成原设计三维实体零件[38-39]。SLM 技在于将冶金机制演变为全熔化/凝固机制，形成较大的温度梯度，具有极早期的 SLS 技术制备的零件相比，从显微组织到力学性能都提升了，无获得近乎完全致密的零件。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TG665;TG146.21

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