TiC/Inconel 718复合材料选区激光熔化成形的热物理机制
发布时间：2021-10-20 15:32
建立了Ti C/Inconel 718复合材料体系选区激光熔化三维有限元模型,在考虑了相变潜热,热传导/对流/辐射多重传热机制和随温度变化的热物性参数条件下,使用ANSYS二次开发语言APDL实现了高斯激光热源的移动,并利用"生死单元"完成了多层多道的能量加载,研究了其选区激光成形的热物理机制。结果表明:温度变化率与工艺参数（激光功率和扫描速度）存在正对应关系,最高可达7.03×106℃/s。当扫描速度过快（300 mm/s）或激光功率过低（50 W）时,获得的熔池温度低（1991℃）,液相存在时间过短（0.29 ms）,而且液相量少,粘度大,不利于液相金属在粉末间隙中的铺展和润湿,易于在制件中形成不规则孔洞,增加制件孔隙率;在优化的工艺参数P=100 W,v=100 mm/s下,重熔深度（15.1μm）、重熔宽度（35.0μm）、液相存在时间（1.2 ms）、熔池最高温度（2204℃）和温度变化率均较为合适,易于获得冶金结合良好的SLM制件。对Ti C/Inconel 718混合粉末进行了选区激光熔化实验,验证了模拟结果的正确性。
【文章来源】：稀有金属材料与工程. 2017,46(06)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
SLM过程激光扫描路径和3D有限元模型
第6期石齐民等：TiC/Inconel718复合材料选区激光熔化成形的热物理机制·1545·1.5温度场求解设置SLM过程激光扫描路径及有限元模型见图1。基板为45#钢，尺寸为0.9mm×1.7mm×0.3mm；粉层材料为TiC/Inconel718，尺寸为0.56mm×1.4mm×0.1mm。选用ANSYSSoild70热单元作为粉层网格划分的单元类型，网格尺寸为0.0175mm×0.0175mm×0.025mm；基板选用四面体单元进行自由网格划分。加工参数见表3。2结果与讨论2.1熔池特征及尺寸变化规律图2为相邻层中心位置处熔池上表面及纵截面的温度场分布。在移动热源作用下，熔池上表面形成一系列椭圆形等温线，且熔池前端等温线比其后端更加密集。这是由于熔池后端的粉体向固体转变而使热导率增加，加速了热量传递，而熔池前端尚处于粉体状态，热导率较低，热量无法有效传递致使熔池前端温度梯度较大，等温线较密集。图中黑色虚线为TiC/Inconel718的熔化线(1300℃)，虚线以内形成熔池。点2处熔池宽度(98.5μm)、长度(121.5μm)、深度(65.5μm)和熔池最高温度(2204℃)较点1分别增加了8.6%,7.4%,5.8%和3.8%。这是由于SLM过程存在热积累效应，SLM过程中，热传导为主要传热形式，成形层数的增加削弱了热传导的传热能力，减小了激光能量的损失，使得高粉层处的温度较高及熔池尺寸较大[13]。图1SLM过程激光扫描路径和3D有限元模型Fig.1Laserscanningpattern(Point1atthecenterofthefirstlayer,Point2atthecenterofthesecondlayer)(a)and3Dfiniteelementmodel(b)inSLMprocess表3有限元模拟参数Table3FiniteelementsimulationparametersParameterValueAbsorptivity,A0.7[16]Powderlayerthickness,d/μm50Laserspotsize,D/μm70Hatchspacing,s/μm50Ambienttemperature,T0/℃20Las
·1546·稀有金属材料与工程第46卷图3不同工艺参数下SLM成形TiC/Inconel718过程的熔池尺寸Fig.3ThreedimensionsofthemoltenpoolduringSLMprocessofTiC/Inconel718powderwithdifferentscanspeeds(P=100W)(a),anddifferentlaserpowers(v=100mm/s)(b)2.2熔池热行为演变机制图4为不同工艺参数下激光与粉体交互作用区域中的重熔宽度和深度。当v=300mm/s,P=100W时，重熔深度为–1.1μm，表示上下粉层未接触结合；当v=200mm/s,P=100W时，重熔宽度(29.0μm)和深度(8.5μm)为正数，实现了相邻扫描道和相邻层之间的接触结合，但重熔深度较小，相邻粉层之间冶金结合性能较差；当v=50mm/s,P=100W时，重熔深度(32.5μm)和宽度(75.0μm)过大，过度重熔易导致过大的应力累积[17]，引起制件开裂(图4a)。相邻层和相邻扫描道之间合适的重熔深度和宽度保证了制件冶金结合良好，高尺寸精度和高致密度。图5为v=100mm/s时，典型激光功率下的温度场分布。结合图4c中的重熔尺寸可以发现与上述相似的规律。当P=50W,v=100mm/s时，重熔宽度和深图4不同工艺参数下SLM过程的重熔宽度和深度Fig.4RemeltedwidthandremelteddepthduringSLMprocessunderdifferentprocessingparameters:(a)differentscanspeeds(P=100W),(b)schematicoftheremeltedwidth(P3ontheleftofpoint2),(c)differentlaserpowers(v=100mm/s),and(d)schematicoftheremelteddepth(P4beneathpoint2)501001502002503005075100125150175200MoltenpoolwidthiDmension/mScanSpeed/mm·s-1aMoltenpoollengthMoltenpooldepth50751001250306090120150180210240MoltenpoolwidthiDmension/mLaserPower/WbM
【参考文献】：
期刊论文
[1]选区激光熔化成形TiC固溶增强钨基复合材料研究[J]. 张国全,顾冬冬. 稀有金属材料与工程. 2015(04)
[2]选区激光熔化成型悬垂结构的计算机辅助工艺参数优化[J]. 刘杰,杨永强,王迪,肖冬明,苏旭彬. 中国激光. 2012(05)
[3]工艺参数对激光快速成形TC4钛合金组织及成形质量的影响[J]. 张霜银,林鑫,陈静,张凤英,黄卫东. 稀有金属材料与工程. 2007(10)
[4]空心叶片激光快速成形过程的温度/应力场数值模拟[J]. 贾文鹏,林鑫,陈静,杨海鸥,钟诚文,黄卫东. 中国激光. 2007(09)
[5]线能量对TC4钛合金激光焊接残余应力和变形的影响[J]. 何小东,张建勋,裴怡,巩水利. 稀有金属材料与工程. 2007(05)
[6]金属基复合材料的发展现状及展望[J]. 郝斌,段先进,崔华,杨滨,张济山. 材料导报. 2005(07)
[7]激光快速成形过程中残余应力分布的实验研究[J]. 杨健,陈静,杨海欧,林鑫,黄卫东. 稀有金属材料与工程. 2004(12)
[8]连续移动三维瞬态激光熔池温度场数值模拟[J]. 席明哲,虞钢. 中国激光. 2004(12)
[9]α-Cr在Incone1718合金中析出行为的微观分析[J]. 王改莲,吴翠微,张麦仓,董建新,谢锡善. 稀有金属材料与工程. 2002(01)
本文编号：3447157
【文章来源】：稀有金属材料与工程. 2017,46(06)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
SLM过程激光扫描路径和3D有限元模型
第6期石齐民等：TiC/Inconel718复合材料选区激光熔化成形的热物理机制·1545·1.5温度场求解设置SLM过程激光扫描路径及有限元模型见图1。基板为45#钢，尺寸为0.9mm×1.7mm×0.3mm；粉层材料为TiC/Inconel718，尺寸为0.56mm×1.4mm×0.1mm。选用ANSYSSoild70热单元作为粉层网格划分的单元类型，网格尺寸为0.0175mm×0.0175mm×0.025mm；基板选用四面体单元进行自由网格划分。加工参数见表3。2结果与讨论2.1熔池特征及尺寸变化规律图2为相邻层中心位置处熔池上表面及纵截面的温度场分布。在移动热源作用下，熔池上表面形成一系列椭圆形等温线，且熔池前端等温线比其后端更加密集。这是由于熔池后端的粉体向固体转变而使热导率增加，加速了热量传递，而熔池前端尚处于粉体状态，热导率较低，热量无法有效传递致使熔池前端温度梯度较大，等温线较密集。图中黑色虚线为TiC/Inconel718的熔化线(1300℃)，虚线以内形成熔池。点2处熔池宽度(98.5μm)、长度(121.5μm)、深度(65.5μm)和熔池最高温度(2204℃)较点1分别增加了8.6%,7.4%,5.8%和3.8%。这是由于SLM过程存在热积累效应，SLM过程中，热传导为主要传热形式，成形层数的增加削弱了热传导的传热能力，减小了激光能量的损失，使得高粉层处的温度较高及熔池尺寸较大[13]。图1SLM过程激光扫描路径和3D有限元模型Fig.1Laserscanningpattern(Point1atthecenterofthefirstlayer,Point2atthecenterofthesecondlayer)(a)and3Dfiniteelementmodel(b)inSLMprocess表3有限元模拟参数Table3FiniteelementsimulationparametersParameterValueAbsorptivity,A0.7[16]Powderlayerthickness,d/μm50Laserspotsize,D/μm70Hatchspacing,s/μm50Ambienttemperature,T0/℃20Las
·1546·稀有金属材料与工程第46卷图3不同工艺参数下SLM成形TiC/Inconel718过程的熔池尺寸Fig.3ThreedimensionsofthemoltenpoolduringSLMprocessofTiC/Inconel718powderwithdifferentscanspeeds(P=100W)(a),anddifferentlaserpowers(v=100mm/s)(b)2.2熔池热行为演变机制图4为不同工艺参数下激光与粉体交互作用区域中的重熔宽度和深度。当v=300mm/s,P=100W时，重熔深度为–1.1μm，表示上下粉层未接触结合；当v=200mm/s,P=100W时，重熔宽度(29.0μm)和深度(8.5μm)为正数，实现了相邻扫描道和相邻层之间的接触结合，但重熔深度较小，相邻粉层之间冶金结合性能较差；当v=50mm/s,P=100W时，重熔深度(32.5μm)和宽度(75.0μm)过大，过度重熔易导致过大的应力累积[17]，引起制件开裂(图4a)。相邻层和相邻扫描道之间合适的重熔深度和宽度保证了制件冶金结合良好，高尺寸精度和高致密度。图5为v=100mm/s时，典型激光功率下的温度场分布。结合图4c中的重熔尺寸可以发现与上述相似的规律。当P=50W,v=100mm/s时，重熔宽度和深图4不同工艺参数下SLM过程的重熔宽度和深度Fig.4RemeltedwidthandremelteddepthduringSLMprocessunderdifferentprocessingparameters:(a)differentscanspeeds(P=100W),(b)schematicoftheremeltedwidth(P3ontheleftofpoint2),(c)differentlaserpowers(v=100mm/s),and(d)schematicoftheremelteddepth(P4beneathpoint2)501001502002503005075100125150175200MoltenpoolwidthiDmension/mScanSpeed/mm·s-1aMoltenpoollengthMoltenpooldepth50751001250306090120150180210240MoltenpoolwidthiDmension/mLaserPower/WbM
【参考文献】：
期刊论文
[1]选区激光熔化成形TiC固溶增强钨基复合材料研究[J]. 张国全,顾冬冬. 稀有金属材料与工程. 2015(04)
[2]选区激光熔化成型悬垂结构的计算机辅助工艺参数优化[J]. 刘杰,杨永强,王迪,肖冬明,苏旭彬. 中国激光. 2012(05)
[3]工艺参数对激光快速成形TC4钛合金组织及成形质量的影响[J]. 张霜银,林鑫,陈静,张凤英,黄卫东. 稀有金属材料与工程. 2007(10)
[4]空心叶片激光快速成形过程的温度/应力场数值模拟[J]. 贾文鹏,林鑫,陈静,杨海鸥,钟诚文,黄卫东. 中国激光. 2007(09)
[5]线能量对TC4钛合金激光焊接残余应力和变形的影响[J]. 何小东,张建勋,裴怡,巩水利. 稀有金属材料与工程. 2007(05)
[6]金属基复合材料的发展现状及展望[J]. 郝斌,段先进,崔华,杨滨,张济山. 材料导报. 2005(07)
[7]激光快速成形过程中残余应力分布的实验研究[J]. 杨健,陈静,杨海欧,林鑫,黄卫东. 稀有金属材料与工程. 2004(12)
[8]连续移动三维瞬态激光熔池温度场数值模拟[J]. 席明哲,虞钢. 中国激光. 2004(12)
[9]α-Cr在Incone1718合金中析出行为的微观分析[J]. 王改莲,吴翠微,张麦仓,董建新,谢锡善. 稀有金属材料与工程. 2002(01)
本文编号：3447157
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