基于數(shù)值模擬的選區(qū)激光熔化成形殘余應力演化研究

趙仕宇，陳向文，詹艷然

基于數(shù)值模擬的選區(qū)激光熔化成形殘余應力演化研究

趙仕宇1，陳向文1，詹艷然2

（1.福州職業(yè)技術學院 機電工程系，福州 350121；2.福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350108）

以選區(qū)激光熔化成形（SLM）試件的殘余應力為研究對象，研究殘余應力對成形質量的影響，為SLM成形的產(chǎn)業(yè)化應用提供理論依據(jù)。以316L不銹鋼粉末為原材料，利用Altair Inspire軟件的Print3D模塊分析SLM成形中支撐、成形角對殘余應力的影響及殘余應力的演化規(guī)律，并進行實驗驗證。SLM成形最大殘余應力出現(xiàn)在零件與基板結合面，添加支撐可減小殘余應力。零件不同位置殘余應力的演化規(guī)律不同。頂部殘余應力呈先增大后減小的趨勢，底部兩側殘余應力呈緩慢上升的趨勢；底部中間殘余應力的演化規(guī)律較為復雜：起先殘余應力隨溫度的降低而增大，當溫度降到最低點時達最大值；隨后在熱累積作用下，殘余應力先減小后增大，當達到去應力退火溫度時，殘余應力又減小并在一定范圍內(nèi)波動。殘余應力隨著成形角的增大呈先增大后減小再增大的趨勢，當成形角為60°時，殘余應力較小。在SLM成形時，在零件底部添加支撐可將最大殘余應力位置轉移到支撐上，從而減小成形件內(nèi)部的殘余應力，提高成形質量。成形零件不同位置殘余應力的演化規(guī)律不同，成形角對殘余應力的影響也不同，成形時應根據(jù)零件工況制定合適的打印策略。

數(shù)值模擬；選區(qū)激光熔化；殘余應力；316L不銹鋼；成形角

選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術以在專業(yè)金屬3D打印軟件中建立的三維數(shù)字模型為基礎，利用成形設備激發(fā)的高能激光，沿著預設路徑使金屬粉末逐層累積堆疊成形出任意復雜形狀的實體，具有制造快捷、成形零件精度高和成本低的優(yōu)點，在航天航空、醫(yī)療等領域有著廣泛應用，是目前增材制造領域中頗具潛力的技術之一[1-5]。在SLM成形中，金屬粉末吸收激光能量熔化形成熔池，當激光離開后熔池金屬冷卻凝固，整個過程在極短時間內(nèi)完成，較高的溫度梯度和過冷度使成形件內(nèi)部產(chǎn)生大量熱應力，一部分熱應力會在后續(xù)的熱循環(huán)過程中被釋放，另一部分則會被保留下來形成殘余應力[6]。殘余應力易使成形件出現(xiàn)裂紋、變形及翹曲等缺陷，成為影響成形件精度、壽命與使用性能的關鍵因素[7-9]，是亟須研究和解決的突出難題之一。殘余應力可分為Ⅰ型殘余應力、Ⅱ型殘余應力和Ⅲ型殘余應力[10]，Ⅰ型殘余應力由宏觀溫度變化引起，Ⅱ型殘余應力和Ⅲ型殘余應力是由微觀顆粒的缺陷以及位錯等引起的微觀應力，常見的破壞性缺陷主要由Ⅰ型殘余應力引起。若用實驗法測定SLM成形件中的殘余應力，則時間與經(jīng)濟成本較高，并且無法追溯殘余應力的形成與發(fā)展歷程，因此常用數(shù)值模擬方法進行研究。文舒等[11]利用ABAQUS有限元軟件分析了單道次GH536高溫合金選區(qū)激光熔化成形過程中的殘余應力，發(fā)現(xiàn)零件表面存在較大的殘余應力。王美婷等[12]利用Simufact-additive軟件和實驗相結合的方法，分析了激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)對AlSi10Mg成形件基板與結合面殘余應力的影響，認為殘余應力隨著成形工藝參數(shù)的增大呈先減小后增大的趨勢。李忠華等[13]利用ANSYS軟件分析了預熱溫度對殘余應力的影響，認為隨著預熱溫度的升高，殘余應力降低。吳濤等[14]采用有限元模擬與小孔法獲得了選區(qū)激光熔化成形件的殘余應力，認為打印方向對成形件的殘余應力分布有顯著影響。目前學者們利用數(shù)值模擬法主要分析了SLM成形單道、多道時的殘余應力分布情況，但有關零件整體成形時殘余應力的研究報道還比較少。

為進一步探究選區(qū)激光熔化成形件殘余應力的分布及演化規(guī)律，選擇廣泛應用于機械、航天、醫(yī)療等領域的316L不銹鋼[15-17]為原材料，采用數(shù)值模擬和實驗相結合的方法，運用Altair Inspire仿真軟件的Print3D模塊分析了SLM成形過程中殘余應力的演化規(guī)律以及成形角對殘余應力及變形的影響，以期為SLM成形技術產(chǎn)業(yè)化應用提供理論指導。

1 實驗

1.1 成形參數(shù)

成形材料選用廣州漢邦激光科技有限公司提供的316L不銹鋼粉末，其主要物理性能參數(shù)如下：密度為5.16 g/cm3、比熱容為900 J/(kg·K)、熱傳導系數(shù)為1.12×10?5K?1、液相線溫度為1 713 K、固相線溫度為1 663 K。成形設備為該公司生產(chǎn)的HBD150型SLM打印機，其主要打印成形參數(shù)如下：激光功率為500 W、打印層厚為10～40 μm、掃描速度≤10 000 mm/s、掃描間距為40～80 μm、光斑直徑為70 μm、成形尺寸為159 mm×100 mm。參照文獻[18]中316L不銹鋼粉末的SLM成形工藝參數(shù)，本文模擬時的主要成形工藝參數(shù)取值如下：激光功率為170 W，打印層厚為30 μm，掃描速度為950 mm/s，掃描間距為60 μm，光斑直徑為70 μm。成形件為長方體，其、、方向的長度分別為21、14、3.5 mm。

1.2 成形模擬

采用Altair Inspire仿真軟件的Print3D模塊模擬SLM成形過程中的打印、冷卻、回彈及切割等過程，分析成形全過程中溫度、應力、位移等的分布情況及演化規(guī)律。零件與打印平臺的擺放位置如圖1所示，其中角度數(shù)值表示零件成形角，擺放時以零件長度為方向，寬度為方向，高度為方向。在初次模擬時，將成形角為90°的零件擺放于打印平臺上，采用前文確定的參數(shù)進行模擬，結果如圖2所示。從圖2a可以發(fā)現(xiàn)，在零件打印成形過程中，某一瞬間的最高溫度為1 960 K，超過316L不銹鋼粉末的液相線溫度，說明當激光掃描金屬粉末時粉末處于熔化狀態(tài)。從圖2b可以看出，待成形結束后，零件的最大殘余應力為609.6 MPa，最大值位于零件底部與基板的結合處，與文獻[19]的試驗結果相一致。說明初始模擬的成形工藝參數(shù)及成形條件符合選區(qū)激光熔化成形工藝要求，但從圖2b發(fā)現(xiàn)成形后零件局部的殘余應力較大，會影響SLM成形件的成形質量，需要進行進一步分析。

圖1 模型擺放示意圖

圖2 初始模擬結果

2 結果與分析

2.1 支撐對殘余應力的影響

在SLM成形過程中，金屬粉末在高能激光束作用下熔化形成的熔池會在自身重力和毛細作用下塌陷[20]，因此需要設置支撐。Zhang等[21]認為在SLM成形過程中添加支撐可承接下一層未熔化成形的金屬粉末，防止激光掃描該粉末層時發(fā)生塌陷，同時可傳遞成形層多余的熱量，減小成形件翹曲變形，并且可防止刮刀撞擊已成形件。張國慶等[22]認為SLM成形件中常出現(xiàn)的零件翹曲變形與零件支撐的添加有關?，F(xiàn)將SLM成形件水平（即成形角0°）放置于打印平臺上，在一個零件底部添加3 mm高度的支撐，支撐結構選用可承受一定重力的錐支撐；將另一個零件直接置于基板上，不添加支撐，研究有無支撐對殘余應力的影響。利用前文所述參數(shù)進行模擬，模擬結果如圖3所示?？梢钥闯?，當零件底部無支撐時，零件的最大殘余應力為718.2 MPa，當零件底部添加了支撐時，零件的最大殘余應力為519.7 MPa，顯著低于直接置于打印平臺（未添加支撐）成形件的最大殘余應力。此外，最大殘余應力值出現(xiàn)在打印件與基板最先接觸處，這是由于在SLM成形過程中，打印件與基板的接觸為固定約束，第1層成形時的溫度梯度最大，在收縮過程中變形受到基板的控制，且熱循環(huán)次數(shù)最多，因此殘余應力最大。

圖3 有無支撐時殘余應力分布圖

2.2 殘余應力的演化規(guī)律

基于圖3b的模擬結果分析殘余應力的演變規(guī)律。選取零件頂部和底部的中部以及兩側節(jié)點進行分析，且由于零件為對稱件，在頂部和底部各選取兩點進行分析，具體選取位置如圖4a所示。零件頂部和底部選取節(jié)點的殘余應力的演化規(guī)律分別如圖4b和圖4c所示。可以發(fā)現(xiàn)，在SLM成形過程中，零件兩側殘余應力呈緩慢上升趨勢，而底部和頂部中部選取點殘余應力的演化規(guī)律明顯不同。其中底部中部選取點殘余應力的演化較為劇烈且復雜，這是由于在SLM成形過程中當激光掃描時，金屬粉末在極短的時間內(nèi)急速升溫熔化成液態(tài)，當激光離開后，熔池內(nèi)液態(tài)金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)，整個過程在極短時間內(nèi)完成，溫度梯度達到106～108K/s[23]。在如此大的溫度梯度下，凝固后的組織內(nèi)部存在由溫度快速變化而引起的熱應力、物態(tài)相變引起的相變應力以及先凝固組織對后凝固組織的拘束應力，這些應力的相互作用以及冷卻收縮受到已成形層和當前層成形區(qū)的阻礙，自由凝固收縮受限，應力急速增大，當溫度降到最低溫度時，應力達到最大值。在后續(xù)成形熱累積作用下，成形溫度升高，凝固過程產(chǎn)生的應力得到部分釋放，應力值減小。當溫度升高到一定的溫度時，亞穩(wěn)態(tài)的短枝晶結構繼續(xù)長大[24]，但受周圍環(huán)境約束，應力增大，成形完畢后殘留在成形件內(nèi)成為殘余應力。在零件頂部的中間部分，待激光掃描完金屬粉末后，熔融金屬快速凝固，零件打印完成，在凝固過程中應力快速增大，隨后部分應力得到釋放，未釋放的應力成為殘余應力保留在成形件內(nèi)。

圖4 當成形角為0°時選取點位置和相應點殘余應力演化及溫度變化路徑圖

為進一步探討打印高度更高的成形件殘余應力的演變規(guī)律，將成形角90°的零件放置于打印平臺上，模擬結束后選取點的位置及相應的應力和溫度變化情況如圖5所示。由圖5a可知，在成形結束時，成形角90°零件的最大殘余應力為446.4 MPa，小于成形角0°時的514.6 MPa（見圖3b）。當成形角為90°時，零件的最大殘余應力減小，這是因為當零件長邊垂直放置于打印平臺時，成形層打印區(qū)域較小，其四周被粉末包圍，冷卻速度較慢，產(chǎn)生的變形部分得到釋放，使其殘余應力變小。比較圖4c和圖5c可以發(fā)現(xiàn)，當成形高度較小時，零件選取點的殘余應力的演化規(guī)律基本一致，但隨著成形高度的增大，在熱累積作用下，中間區(qū)域底層節(jié)點的短枝晶繼續(xù)長大，在長大過程中受周圍環(huán)境限制，應力增大，當溫度達到547.58 K時，應力達到極大值，當溫度高于547.58 K時，相當于進入去應力退火階段，應力減小，當減小到約40 MPa時產(chǎn)生新的熱累積平衡，使其后續(xù)成形過程中的應力在一定范圍內(nèi)波動。

2.3 成形角對殘余應力的影響

由圖3b及圖5a可以發(fā)現(xiàn)，當零件置于打印平臺的成形角不同時，成形后最大殘余應力值差距較大，殘余應力會影響成形后零件的變形。文獻[25]也從不同擺放位置零件的熱應力角度分析了零件的變形問題。為此，在成形角為0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°條件下，將零件置于打印平臺上進行模擬，模擬結束后不同成形角的最大殘余應力變化趨勢如圖6所示?？梢钥闯?，隨著成形角的增大，最大殘余應力值呈先增大后減小再增大的趨勢。當零件成形角為60°時，最大殘余應力值最小，當成形角為15°時，零件的最大殘余應力值最大。這是由于零件擺放位置不同，添加支撐的位置和數(shù)量也不同（見圖7），當成形角為15°時，零件下表面較大，需設置大量的支撐，而當成形角為60°時，僅零件底部有少量支撐即可進行打印，成形過程中產(chǎn)生的應力得到有效釋放，殘余應力減小。成形件的殘余應力也會影響零件的變形。2個成形角下成形件的位移變形情況如圖7所示?？梢钥闯?，成形角為60°的位移變形為0.360 9 mm，小于成形角為15°時的0.923 1 mm。當成形件殘余應力較小時，位移變形也較小。為驗證數(shù)值模擬結果，利用前文確定的工藝參數(shù)在HBD150打印機中打印成形角為15°的零件，將零件從基板上切割，打印件如圖8所示。打印件相應位置的尺量值為20.30 mm，零件變形量為0.7 mm，實驗結果與模擬結果基本一致。

圖5 當成形角為90°時選取點位置及相應點殘余應力的演化和溫度變化路徑圖

圖6 不同成形角零件的殘余應力趨勢圖

圖7 不同成形角零件的位移分布圖

圖8 SLM加工件

3 結論

1）由于成形件與基板的接觸為固定約束，第一層成形時溫度梯度最大，冷卻收縮受限，且熱循環(huán)次數(shù)最多，因此，SLM成形中最大殘余應力出現(xiàn)在基板與零件最先打印結合面，通過添加合理支撐可傳遞多余熱量，抑制收縮，減小零件變形和殘余應力。

2）SLM成形件不同區(qū)域殘余應力的演化規(guī)律有很大的不同。在零件兩側成形過程中，殘余應力呈緩慢上升趨勢。零件頂部和底部中間位置的殘余應力的演化較為復雜。頂部中間區(qū)域冷卻產(chǎn)生的應力未得到有效釋放，大部分留在成形件內(nèi)轉變成殘余應力。底部中間區(qū)域殘余應力先隨著溫度的降低而增大，當溫度降到最低點時應力最大，隨后在反復熱累積作用下應力減小，隨著溫度的升高，內(nèi)部亞晶結構繼續(xù)長大，應力隨之增大，當溫度升高到去應力退火溫度時，應力減小并在一定范圍內(nèi)波動，成形完畢后殘留在成形件內(nèi)成為殘余應力。

3）成形角影響SLM成形件的殘余應力。殘余應力隨著成形角的增大呈先增大后減小再增大的趨勢，殘余應力影響零件的位移變形，當殘余應力較小時，變形位移也較小，當零件成形角為60°時，殘余應力較小，成形質量較好。

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Residual Stress Evolution by Selective Laser Melting Based on Numerical Simulation

ZHAO Shiyu1, CHEN Xiangwen1, ZHAN Yanran2

(1. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Fuzhou Polytechnic, Fuzhou 350121, China; 2. School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

The work aims to take the residual stress occurring in selective laser melting (SLM) process as the research object, to study its effect on forming quality, so as to provide a theoretical basis for industrial applications. With 316L stainless steel powder as raw material, a Print3D module of Altair Inspire software was used to analyze the effects of support and forming angle on residual stresses and the corresponding evolution law with experimental verification. During SLM processing, the highest value of residual stress occurred at the part-substrate interface, and could be reduced by adding supports. At different locations of the formed part, the evolution of residual stress was different. At the top area, the residual stresses tended to increase firstly then decrease, but they tended to increase slowly all the time at the sides near bottom area. At the center position near bottom, the evolution law was complex. Firstly, it increased with the decrease of temperature, and when the temperature got to the lowest point, the residual stress reached its maximum value. Subsequently, under the effect of heat accumulation, it decreased firstly and then increased, and when the de-stressing annealing temperature was reached, the stress began to fluctuate within a certain range. With the increment of forming angle, the value of residual stress fluctuated, which was small with forming angle 60°. In SLM processing, adding support at the bottom of the part transfers the location of the largest residual stress to the support to be cut, which reduces the residual stress in the part and improves the forming quality. The evolution of residual stresses at different locations of the part is complex, and the influence of the forming angle on the residual stresses is also different, so a suitable printing strategy should be developed based on specific working condition.KEY WORDS: numerical simulation; selective laser melting; residual stress; 316L stainless steel; forming angle

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.020

TG495

A

1674-6457(2024)01-0174-07

2023-10-25

2023-10-25

國家自然科學基金（51774097）；福建省教育廳中青年項目（JAT210822）

The National Natural Science Foundation of China (51774097); Youth and Middle-aged Project of Fujian Education Department (JAT210822)

趙仕宇, 陳向文, 詹艷然. 基于數(shù)值模擬的選區(qū)激光熔化成形殘余應力演化研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 174-180.

ZHAO Shiyu, CHEN Xiangwen, ZHAN Yanran. Residual Stress Evolution by Selective Laser Melting Based on Numerical Simulation[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 174-180.