激光熔絲增材制造過程的溫度與組織演變研究

邸艷艷 黃安國 葉杰

摘要：激光熔絲增材制造工藝參數(shù)對(duì)凝固組織特別是晶粒尺寸有重要影響，從而影響成形件的性能?；谟邢拊椒▽?duì)激光熔絲增材316L不銹鋼過程的熱歷史進(jìn)行了仿真，研究了不同增材工藝對(duì)晶粒尺寸的影響。結(jié)果表明，模擬得到的熔池尺寸于與實(shí)際相吻合，在垂直于掃描方向和厚度方向均有能量傳遞。隨著掃描速度的增加，成形過程的最高溫度減小。單層組織的底部區(qū)域?yàn)榘麪罹?、中部區(qū)域?yàn)榇执蟮闹鶢顦渲?、頂部區(qū)域?yàn)榧?xì)小的等軸晶，柱狀樹枝晶的一次枝晶間距隨掃描速度的增加而減小。

關(guān)鍵詞：激光熔絲增材;溫度場(chǎng);組織演變

0? ? 前言

激光熔絲增材制造技術(shù)具有生產(chǎn)接近最終成形形狀的金屬零件的能力，可實(shí)現(xiàn)難加工金屬的制造，并且具有靈活性、制造周期短、材料利用率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)[1-2]。激光增材制造中微觀結(jié)構(gòu)的形成和熱過程密切相關(guān)，熱過程受許多加工參數(shù)（如掃描速度，激光功率和送絲速度）的影響。近年來國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)激光增材制造過程溫度分布和微觀結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了研究。任朝暉[3]用ABAQUS軟件建立其完全熱力耦合有限元模型，研究Ti-6Al-4V鈦合金單道多層薄壁件沉積過程中的熱循環(huán)特性和殘余應(yīng)力分布。李俐群[4]結(jié)合有限元數(shù)值模擬方法，研究了Ti6Al4V單墻體的激光熔化沉積過程中激光功率、掃描速度等對(duì)熔池尺寸、微觀組織定向生長(zhǎng)特性的影響規(guī)律。Tran[5]通過建立三維傳熱模型，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)激光熔覆區(qū)過程的溫度場(chǎng)，并研究了熱歷史與堆積層最終的微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

本文通過有限元建模和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的分析，重點(diǎn)研究研究不同激光熔絲增材制造的工藝參數(shù)對(duì)溫度和晶粒尺寸的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)所用的焊絲和基板均為316L不銹鋼，絲的直徑為1.2 mm，其化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用的主要設(shè)備為福尼斯TransPuls Synergic 4000焊機(jī)和光纖激光器，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

2 增材過程溫度場(chǎng)數(shù)值仿真

2.1 有限元模型的建立

建立的幾何模型如圖1所示，為了獲得較高的計(jì)算機(jī)高度，劃分網(wǎng)格時(shí)堆積部位附近的網(wǎng)格比較密集，遠(yuǎn)離堆積的區(qū)域網(wǎng)格尺寸較大，如圖2所示。模擬過程中采用生死單元法，堆積時(shí)為活單元，未堆積部位為死單元。316L不銹鋼的熱物性參數(shù)如3所示。

2.2 熱分析

激光熔絲增材過程是一個(gè)快冷快熱的瞬態(tài)非線性過程，增材過程涉及傳熱學(xué)、冶金學(xué)和力學(xué)，十分復(fù)雜[6-7]。為便于計(jì)算，進(jìn)行如下假設(shè)：材料各向同性;忽略熔池的流動(dòng)和重力的影響;忽略基板對(duì)工作臺(tái)和夾具的熱傳導(dǎo)。激光熔絲增材制造過程中存在熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射三種傳熱方式。綜合考慮這些因素，建立三維瞬態(tài)傳熱方程：

熱源模型對(duì)于溫度場(chǎng)仿真非常關(guān)鍵。激光照射時(shí)能量主要在中心，從中心到邊緣呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，所以用體熱源比較合適。目前大多數(shù)學(xué)者采用高斯體熱源來描述激光的能量分布[8]。高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型的數(shù)學(xué)模型為：

式中 H為體熱源高度，η為熱效率系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 掃描速度對(duì)熔池形貌和溫度分布的影響

掃描速度為0.012 m/s時(shí)的熔池尺寸與模擬的結(jié)果的對(duì)比如圖3所示。通過計(jì)算，熔池形貌的誤差大約為0.806%，誤差很小，基本上一致。圖4、圖5、圖6為單層掃描速度分別為0.008 m/s、0.012 m/s和0.016 m/s的不同位置溫度分布結(jié)果?？梢钥闯?，增材過程中在垂直于掃描方向和基板高度方向均有能量傳遞，但是在基體底部區(qū)域和邊界區(qū)域溫度變化不明顯。原因是堆積層和基板之間是固態(tài)傳熱，效率小于熔池內(nèi)液態(tài)金屬之間的對(duì)流傳熱。模擬結(jié)果顯示熔池平均溫度隨掃描速度的增大逐漸減小。掃描速度越快，熱源加熱熔化絲材的時(shí)間越短，給予的熱量就越少，絲材可能沒有足夠時(shí)間充分熔化，導(dǎo)致熔池內(nèi)最高溫度越低。

圖7、圖8分別為三種掃描速度下熔池底部、中部、頂部區(qū)域特征點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度曲線。可以看出，熔池底部溫度最低，熔池中部即基板與沉積層的界面處溫度梯度最大。原因是增材是一個(gè)快速加熱和冷卻的過程，激光照射時(shí)，材料迅速熔化，與基板接觸，形成較大的溫差，會(huì)形成熔池底部較高的溫度梯度。由于熔池內(nèi)部不同區(qū)域的傳熱能力有差異和激光能量分布不均，頂部區(qū)域到其他部分的熱量比頂部區(qū)域向室內(nèi)環(huán)境的傳熱弱得多，頂部相對(duì)其他區(qū)域具有較強(qiáng)的對(duì)流和輻射，所以會(huì)形成中部有更高的溫度梯度。

3.2 掃描速度對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

激光熔絲增材成形的316L不銹鋼試樣的微觀如圖9、圖10所示。可以看到沉積態(tài)的組織主要由奧氏體和鐵素體相組成;靠近熔合線部位主要為胞狀晶，熔池中部存在大量粗大的柱狀樹枝晶，頂部區(qū)域?yàn)榧?xì)小的等軸晶。通過計(jì)算得到在掃描速度分別為0.008 m/s、0.012 m/s和0.016 m/s時(shí)柱狀晶的一次枝晶間距分別為11.875 μm、11.039 5 μm、8.734 1 μm。隨著掃描速度的增加，奧氏體柱狀枝晶的一次枝晶間距逐漸減小。由于當(dāng)其他工藝參數(shù)一定時(shí)，隨著掃描速度的增加，激光熱源移動(dòng)速度增加，熔池內(nèi)部溫度梯度減小，熔池冷卻速率和凝固速率變大，液固轉(zhuǎn)變時(shí)間減小，導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)時(shí)間變小，奧氏體柱狀枝晶一次枝晶間距減小。

4 結(jié)論

（1）采用有限元法對(duì)激光熔絲增材制造過程的溫度演變進(jìn)行仿真，在垂直于掃描方向和厚度方向均有能量傳遞，但是基體底部和邊界上溫度沒有較大變化。

（2）隨著掃描速度的增加，激光熔絲增材制造過程中的平均溫度呈下降趨勢(shì)。

（3）柱狀樹枝晶的一次枝晶間距隨著掃描速度的增加而減小。

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