激光微燒結(jié)金屬粉末的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬研究.pdf

1、激光微燒結(jié)技術(shù)（Laser micro sintering, LMS）基于“離散—堆積”原理，采用分層制造、逐層疊加的方式，可以從三維CAD模型和金屬粉末直接制備高性能和形狀復(fù)雜的微小零件。由于該技術(shù)使用了微小激光光斑、微細(xì)金屬粉末和超薄鋪粉層厚，因此制備的金屬零件具有空間分辨率高、表面粗糙度小等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前激光微燒結(jié)技術(shù)還處于起步階段，其研究還不夠系統(tǒng)和全面，特別是與其物理過程和成形過程聯(lián)系密切的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的研究目前國(guó)內(nèi)外都鮮

2、有報(bào)道。與一般的激光加工技術(shù)如選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)相比，LMS模擬所需的空間域網(wǎng)格劃分和時(shí)間域時(shí)間步長(zhǎng)都小得多，而且LMS加工過程中的熱源類型、邊界條件和材料熱物性參數(shù)的設(shè)定均有其特點(diǎn)。本論文根據(jù) LMS的特點(diǎn)，從邊界條件參數(shù)、材料熱物性參數(shù)和激光工藝參數(shù)等方面開展研究，建立了LMS有限元模型，對(duì)LMS加工過程中單道和多道的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬，獲得了LMS加工過程中溫度場(chǎng)、熔池、應(yīng)力場(chǎng)和尺寸精度的演變規(guī)律。本論文的主要研究?jī)?nèi)容及取得的

3、研究成果如下：
　?。?）根據(jù)LMS成形的特點(diǎn)建立了LMS有限元模型，該模型不僅包含了高斯分布的移動(dòng)體熱源子模型，而且包含了考慮吸收率、有效導(dǎo)熱系數(shù)、體積熱焓以及固液相變潛熱等熱物性參數(shù)隨材料物相、孔隙率和溫度變化的“粉末相—實(shí)體相”子模型。
　?。?）研究了LMS有限元模型中空間域離散和時(shí)間域離散的各自特點(diǎn)。一方面采用“點(diǎn)—線—面—體”自下而上地構(gòu)建分區(qū)域等比漸變網(wǎng)格來進(jìn)行空間域離散，另一方面使用與“粉末相—實(shí)體相”轉(zhuǎn)變子

4、模型相匹配的分時(shí)段精細(xì)化的時(shí)間步長(zhǎng)來進(jìn)行時(shí)間域離散。并提出使用包含時(shí)空變量的四維表格數(shù)組來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)體熱源。
　　（3）研究了單道成形的溫度場(chǎng)和熔池演化規(guī)律。研究結(jié)果表明：前端激光已輻照區(qū)域?qū)蠖宋摧椪諈^(qū)域有預(yù)熱作用，該預(yù)熱機(jī)制由于實(shí)體與金屬粉末導(dǎo)熱系數(shù)巨大的差異而分為兩個(gè)明顯的階段，隨著激光的靠近，從前一階段的“基底到粉床”快速地向后一階段的“粉床到粉床”轉(zhuǎn)變。后端激光已輻照區(qū)域?qū)η岸艘演椪諈^(qū)域有后熱作用，導(dǎo)致掃描路徑某一位置的熔

5、池寬度和深度達(dá)到最大值的時(shí)刻，滯后于激光光斑中心輻照該位置的時(shí)刻及其溫度達(dá)到最大值的時(shí)刻。
　?。?）研究了多道成形的溫度場(chǎng)和熔池演化規(guī)律。研究結(jié)果表明：粉床的最高溫度、熔池長(zhǎng)度和寬度隨著激光光斑直徑和激光掃描速度的減小而增加，卻隨著激光功率的增加而增加。粉床最高溫度、熔池長(zhǎng)度和深度均隨著掃描道數(shù)增加而增加，而熔池寬度的變化趨勢(shì)則是先減小后增大。其中熔池深度和長(zhǎng)度的相對(duì)增量相當(dāng)，都大于熔池寬度的相對(duì)增量。而隨著掃描道數(shù)的增加，粉床

6、溫度的溫升與熔池尺寸的增量將逐漸減少。熔池的形狀關(guān)于光斑中心呈不對(duì)稱分布，其中心朝x負(fù)方向（平行于激光掃描方向）和y正方向（垂直于激光掃描方向）有一定偏離，并且位于實(shí)體相一側(cè)的最高溫度較之粉末相一側(cè)更低。
　　（5）建立了LMS熱應(yīng)力有限元分析模型，就激光工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)殘余熱應(yīng)力隨著激光功率和掃描速度的增加而增加；應(yīng)力最大的地方位于燒結(jié)區(qū)域和基底的結(jié)合處，并且在垂直于激光掃描路徑的方向上，燒結(jié)實(shí)體先受到拉應(yīng)

7、力，接著過渡到壓應(yīng)力，壓應(yīng)力逐漸增加到達(dá)最大值后開始減小，在接近燒結(jié)成形區(qū)域又會(huì)增大。
　　（6）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了LMS有限元模型的有效性。首先通過比對(duì)激光單道掃描燒結(jié)寬度的方法對(duì)LMS模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)窗口內(nèi)，模擬預(yù)測(cè)值與對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)預(yù)測(cè)誤差在16％以下。隨后分別與傳統(tǒng)有限元模型進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明本論文所采用的體熱源子模型以及具有粉末吸收率變化特點(diǎn)的粉末相到實(shí)體相轉(zhuǎn)變子模型所預(yù)測(cè)的溫度場(chǎng)分布更為合理。