选区熔化过程多尺度多物理场建模研究进展.pdf

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1、选区熔化过程多尺度多物理场建模研究进展闫文韬，钱亚，林峰(清华大学机械工程系，北京100084)【摘要】选区熔化技术是一种基于粉末床的、能够精确成形复杂零件、调控微观组织和性能的金属增材制造技术，其成形过程的计算机模拟对于生产实践具有重要指导意义。综述了国内外的研究现状，首先介绍选区熔化技术的原理及其特点；然后介绍国内外对选区熔化过程已经开展的计算机模拟技术的研究进展；并进一步重点介绍针对电子束选区熔化过程的多尺度多物理场模型，主要包括：(1)微观尺度电子束与材料相互作用的能量吸收模型；(2)细观尺度从铺粉到

2、粉末加热、熔化、流动、沉积成形全过程的模型；(3)宏观尺度零件成形过程模型。关键词：增材制造；激光；电子柬；选区熔化；多尺度建模DoI：10．16080／j．issnl67l一833x．2017．10．050闰文韬清华大学机械工程系博士，目前在美国西北大学机械工程系从事博士后科研工作。研究方向为金属增材制造过程的多尺度多物理场计算模拟技术与应用，多篇论文发表在ActaMaterialia等期刊上。增材制造(AditiveManufacturing，AM)技术是一种基于“离散一堆积”成形原理的制造技术Ill，采

3、用粉末、线材、板材等为原材50航空制造技术·2017年第10期料，根据三维CAD模型数据，在计算机的控制下以逐点逐层的方式堆积材料，可成形较复杂的形状，不需要特定性能和形状的模具或工具，大幅缩短了“设计一试制一生产”的研发流程。在早期以非金属材料或非致密构件为主的“快速原型(RapidPrototyping)”技术口1基础上，20世纪90年代，美国Sandia国家实验室研发出激光熔覆沉积工艺，同步输送金属粉末和激光，使粉末快速熔化后凝固沉积成致密组织；德国弗朗霍夫激光研究所(ILT)提出了激光选区熔化技术(S

4、LM)f3I，采用激光直接完全熔化金属粉末层内的选定区域，制造致密的零件；瑞典ARCAM公司研发出电子束选区熔化(EBSM)技术，采用电子束逐层熔化粉末层。这些工艺均可直接制造高强度的致密金属零件，可作为实际应用的产品而不再局限于原型，真正开启了“增材制造”技术的时代。金属粉末床选区熔化技术原理及特点激光／电子束选区熔化(EBSM设备见图1，SLM设备是采用激光器取代电子枪，且成形室无需真空)这两种技术的原理基本一致，主要步骤是【41：(1)粉层铺设，在基板上铺展一定厚度的粉末。(2)粉末预热，粉床的预热温度

5、视粉末材料而定，该过程使粉末产生预烧结，防止粉末飞溅和吹粉现象，此步骤是激光选区熔化技术的可选项，电子束选区熔化技术的必选项。在铺第一层粉末之前，可先利用激光／电子束的快速扫描或感应加热对基板进行预热(EBSM中基板的预热温度可高达1000K)，这样有利于保持整体粉床的温度，并降低热应力、防止热裂纹的产生。(3)成形扫描，根据设定的扫描路径扫描成形零件的一层截面，使零件截面内的粉末充分熔化形成致密删m。。Manu‰¨吣埘删吲增材树造技术的结合。(4)成形平台下降，下降的高度决定了下一粉层的厚度，重复步骤(1)

6、～(3)实现零件的制造。金属粉末床选区熔化技术与激光熔覆沉积技术的主要区别在于粉末供给方式。采用铺粉的方式，弥补了激光熔覆沉积技术(LENS)精度较低、需要后续机加工、不易制作具有内流道或多孑L结构零件等方面的不足瞪]，但也有成形零件尺寸较小(受成形室尺寸限制)、效率较低等缺点。SLM与EBSM技术的主要区别在于不同的能量源，由此而来的各自的特点分别是：(1)SLM。·优点：光斑直径小、成形精度高、成形结构复杂能力强、无需真空环境。·缺点：能量利用率低、粉末床温度较低、温度梯度大、热应力大、易变形开裂。(2)

7、EBSM。·优点：能量利用率高、电子束扫描速度快、作用深度大、粉末层厚度大、成形效率较高(如Arcam推出的A2型设备的成形效率约80c1113／h，为SLM的2～4倍)、真空成形室有效减少了氧化等材料污染问题，粉末床温度高，热应力和变形较小。·缺点：不适合成形不导电材料，容易出现静电排斥引起的吹粉现象，导致成形失败，真空环境易引起元素挥发，制件表面粗糙度较大。目前，国际上有EOS、SLMSolution和ConceptLaser等公司提供成套的SLM设备和成形工艺方案。美国、英国、法国、比利时等国家众多大学

8、和研究所在成形缺陷、微观组织演化、残余应力与力学性能等方面开展了大量的研究工作瞪]。国内的华中科技大学、华南理工大学、南京航空航天大学都相继开展了SLM技术的研究[6-81，不但开发出了实用化、高性能的系列设备，还对钛合金、镍基高温合金、金属间化合物、纳米颗粒增强铝合金和镁合金等材料的基础成形工艺和性能进行了研究，制造出带有型面和型腔的复杂金属零件，并取得了实用化成果。美国宇航局(NASA)、波音公