金属激光增材制造过程数值模拟.pdf

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1、数值模拟米魏雷圯。林鑫坦，王猛幢，马良1’2，黄卫东位，侯运安3(1．西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072；2．西北工业大学金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室，西安710072；3．中国航发西安航空发动机有限公司计量中心，西安710021)【摘要】金属激光增材制造过程中，热应力导致零件发生形变；气孔与熔合不良等缺陷降低零件的拉伸以及疲劳性能；熔池内的凝固微观组织，尤其是柱状晶等轴晶转变(ColumnartoEquiaxedTransition，CET)是影响零件性能的重要因素。针对上述3个

2、方面，回顾了金属激光增材制造数值模拟的发展历史，对其研究现状和存在问题进行了评述，阐述了金属激光增材制造过程中所采用的数值模型和数值方法，包括热应力分析的有限元(FiniteElementMethod，FEM)方法、模拟熔池金属液流动的计算流体力学方法(ComputationalFluidDynamics，CFD)，以及凝固微观组织模拟的相场法(PhaseField，PF)和元胞自动机方法(CellularAutomaton，CA)。在此基础上对金属激光增材制造过程数值模拟的前景及趋势进行了展望。关键词：增材制造；数值模拟

3、；热应力耦合；凝固微观组织模拟DoI：10．16080a．issnl67l一833x．2017．13．016rtl—瞄●魏雷西北工业大学材料学院助理研究员，主要研究方向为金属增材制造数值模拟技术。+基金项目：国家自然科学基金(51323008、51604227、51475380、51271213)；国家重点研发计划(2016YFBl100100)：国家高技术研究发展计划(2013AA031103)等。16航窄制造技术·2017年第13期金属增材制造[1-2l作为一项高性能金属零件的自由实体成形增材制造技术，在航空、航天、能

4、源、化工和机械等领域具有广阔的应用前景。这项技术以“离散+堆积”的成形思想为基础，是在快速原型技术(RapidPrototyping，RP)的基础上结合激光熔覆技术(LaserCladdingTechnology)发展而来的一种增材制造方法。金属激光增材制造技术以金属粉末材料送进方式分为：以粉末床为主要技术特征的激光选区熔化技术(SelectiveLaserMelting，SLM)，以同步粉末送进为主要特征的激光立体成形技术(LaserSolidForming，LSF)，也称为激光近净成形(LENS)。两种技术都是采用高能

5、激光束对基材进行加热产生熔池，通过粉末材料的添加形成熔覆层及多层熔覆层的增材制造。在此过程中，基材和熔覆层容易产生变形、气孔和熔合不良等缺陷，熔池内的凝固微观组织也受工艺参数影响。若要获得成形精度高、内部无缺陷，以及凝固微观组织控制优良的构件，需要对金属增材制造的热过程和熔池内部传输以及凝固微观组织进行深入研究。金属增材制造过程中激光、熔池和粉末的复杂相互作用，使得采用试验分析手段准确揭示金属增材制造过程非常困难，因此采用计算机模拟方法就成了研究熔池冶金和凝固行为的一项重要手段。本文主要阐述激光立体成形和选区激光熔化过程中

6、的数值模拟方法。由于数值模拟方法具有更广的通用性，为了更全面地介绍金属增材制造相关数值模拟方法，本文也涉及了少量电子束粉末床熔化、焊接，电弧增材制造等过程的数值模拟工作。——匦蜒二生旦金属激光增材制造过程数值模拟技术发展随着选区激光熔化和激光立体成形等金属增材制造技术的发展，制造业对增材制造的零件质量和工艺参数控制提出更高的要求。金属激光增材制造零件在热应力条件下的变形、缺陷与凝固微观组织控制等问题成为研究热点。为了深入理解金属激光增材制造过程，提高金属激光增材制造的零件性能，金属激光增材制造过程的数值模拟技术得到了快速发

7、展。金属激光增材制造过程是粉末流(床)、激光束、基体三者交互的多因素耦合过程，是一个涉及移动熔池、快速非平衡凝固、固态相变的复杂冶金过程，具有非线性、非稳态、多道次、长历程、热力耦合的特征，是一个几何、物理、边界三重非线性的复杂过程。针对金属激光增材制造过程的非均匀快速热一力耦合和变形行为，国际上开展了一系列的研究工作，主要集中在金属激光增材制造的温度场、热应力、位移场，以及熔池形貌和显微组织研究方面。1激光熔覆加工过程的理论分析及简化数值模型激光材料加工的理论模型和数值模拟，与激光的应用同步发展。早期在对激光熔凝、激光熔

8、敷进行试验研究的同时，人们已经开始进行广泛的理论研究和数值模拟。移动热源扫过半无限大固体表面时温度分布的分析解，最早是由Jaeger”】推导出来的。Rosenthall4l发展了移动热源理论，对不同形状光斑在半无限大和有限大物体上给出了精确解。Kurz等睁】根据Rosenthal解并结合凝固理论(Iva