选区激光熔化AlSi10Mg温度场及应力场数值模拟研究

发布时间：2017-04-23 18:09

  本文关键词：选区激光熔化AlSi10Mg温度场及应力场数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文基于ANSYS平台利用有限元分析的方法对选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)Al Si10Mg过程中的温度场进行了模拟,研究了激光功率和扫描速度对SLM过程热行为的影响。研究发现:当激光功率增加时,熔池的冷却速度和温度梯度均呈增加趋势,而且激光功率对温度梯度的影响更加显著;当扫描速度增加时,熔池的冷却速度明显升高,温度梯度却略有降低。此外,随着激光功率增加或扫描速度的降低,熔池中液相存在时间及熔池的尺寸逐渐增大。当激光功率为250 W且扫描速度为200 mm/s时,熔池的宽度(111.4μm)和深度(67.5μm)较为合适,能够保证扫相邻层之间结合良好,利于SLM过程的顺利进行。在温度场的计算基础上,利用热-结构间接耦合的方法建立SLM增材制造Al Si10Mg过程中的应力场模型,进一步研究激光功率和扫描速度对SLM过程中热应力的演变规律及制件的残余应力分布情况的影响。研究发现:SLM过程中热应力随激光的移动呈波动性变化,激光辐照区域的材料发生膨胀变形,熔池附近极小范围区域内的σx和σy出现负值,即处于压应力状态。激光已扫描区域主要表现为拉应力,而且沿扫描方向的应力σx大于垂直于扫描方向的应力σy。制件的表面残余应力主要为拉应力,且制件表面中部位置的残余应力高于边缘位置的残余应力。最大残余应力出现在熔化层和基板的界面结合处,此处最易发生翘曲变形甚至开裂。当激光功率由200 W增至300 W时,最大残余拉应力由257 MPa增至340 MPa;当扫描速度由200 mm/s增至400 mm/s时,最大残余拉应力由257 MPa增至270 MPa,即激光功率对制件最终的残余应力的影响比扫描速度大。通过实验的方法观察分析不同工艺参数下的显微组织以验证模型的可靠性,在一组优化的工艺参数下:激光功率P=250 W、扫描速度v=200 mm/s,成功制备出无孔洞、无裂纹及表面相对光滑的SLM制件。最后利用显微硬度压痕法测量SLM制件的表面残余应力,并与模拟结果相比较,发现两者得到的残余应力结果偏差不大,模拟结果能够大致呈现出SLM制件的残余应力随激光工艺参数而变化的趋势。
【关键词】：选区激光熔化 数值模拟 AlSi10Mg 温度场 应力场
【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】：2015
【分类号】：TG665
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注释表11-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-27
• 1.1 增材制造技术13-14
• 1.2 铝合金材料SLM研究14-15
• 1.3 SLM技术概述15-20
• 1.3.1 SLM成形原理及特点15-17
• 1.3.2 SLM成形工艺问题17-20
• 1.4 数值模拟方法介绍20-22
• 1.5 SLM技术温度场数值模拟现状22-23
• 1.6 SLM技术应力场数值模拟现状23-24
• 1.7 本课题主要研究内容及方法24-25
• 1.8 本文结构安排25-27
• 第二章 SLM过程有限元分析方法27-37
• 2.1 SLM温度场数值模拟基本理论27-31
• 2.1.1 温度控制方程27-29
• 2.1.2 激光热源模型的建立29-30
• 2.1.3 初始条件与边界条件30-31
• 2.1.4 潜热的处理31
• 2.2 SLM应力场数值模拟基本理论31-35
• 2.2.1 屈服准则32
• 2.2.2 流动准则32-33
• 2.2.3 强化准则33
• 2.2.4 热弹塑性方程33-35
• 2.3 材料属性35-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 SLM过程温度场数值模拟研究37-50
• 3.1 温度场求解设置37-40
• 3.2 结果与讨论40-49
• 3.2.1 温度场基本特征40-41
• 3.2.2 不同工艺参数对热行为的影响41-45
• 3.2.3 不同工艺参数对熔池结构的影响45-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第四章 SLM过程应力场数值模拟研究50-63
• 4.1 热-结构模型的基本设置50-52
• 4.2 设定模型边界条件及求解应力场52-53
• 4.3 应力场模拟结果与讨论53-62
• 4.3.1 SLM过程应力分布特征53-54
• 4.3.2 激光功率对应力场的影响54-58
• 4.3.3 扫描速度对应力场的影响58-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第五章 SLM实验及残余应力测试63-73
• 5.1 SLM实验所用粉末材料63
• 5.2 SLM实验方法63-64
• 5.3 残余应力测试方法64-67
• 5.3.1 测量原理64-66
• 5.3.2 测量方法66-67
• 5.4 实验结果与分析67-71
• 5.4.1 不同激光功率下制件的显微组织67-68
• 5.4.2 不同扫描速度下制件的显微组织68-70
• 5.4.3 显微硬度测试值与模拟值的比较70-71
• 5.5 本章小结71-73
• 第六章 结论73-75
• 参考文献75-85
• 致谢85-86
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文86

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