高能束增材制造熔池演化过程的数值模拟研究

作     者：张兆栋 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：倪中华

授予年度：2020年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：高能束增材制造 数值模拟 宏观熔池 微观枝晶生长 

摘      要：增材制造技术这种新型制造方式受到世界各国的广泛关注。高能束增材制造技术已对航空航天、医疗器械等需要制造复杂产品结构的工业领域产生了极大的吸引力。然而,高能束增材制造的金属零部件会因工艺不当而使得成型零件出现缺陷。因此,理解和控制高能束扫描过程中的熔池的流场与温度场演化规律,从而进一步探明和预测凝固成型的零部件微观组织形成过程,提高成形零件的冶金质量和力学性能,是促进高能束增材制造技术快速发展的首要任务。本文采用数值模拟的方法对于高能束增材制造过程中的熔池形成及演化进程进行研究,为理解增材制造过程和完善制造工艺提供理论指导。本文主要内容如下:(1)采用格子玻尔兹曼方法及有限体积法对于电子束选区熔化增材制造方式中熔池的形貌尺寸、温度场、流场及相场进行模拟研究。首先,建立了描述电子束选区熔化过程的物理模型及数学模型,然后将数学模型转化为数值模型研究了不同工艺参数(电子束功率、扫描速度与直径)下熔池的温度场、流场以及相场等宏观特征的变化规律。通过模拟得到的宏观温度场,进而计算影响微观尺度枝晶生长的冷却速度和温度梯度,并研究其随工艺参数变化的作用规律。最后,分析马兰戈尼效应对于熔池宏观特性的作用规律。发现电子束功率越大、扫描速度越慢、电子束直径越小,则熔池最高温度越高,熔池的形貌尺寸越大,但是电子束直径较小时会出现,宽度尺寸低于电子束直径较大时的情况。熔池固液界面的冷却速度总体呈现深度越大冷却速度越小的趋势,而温度梯度会随着选定点角度(固液界面选定点法向方向与扫描方向的夹角)的增加表现出增大趋势。马兰戈尼效应越强则熔池最高温度会降低,而流场的最大流速会提高。(2)根据元胞自动机的基本原理对高能束增材制造的熔池固液界面的微观枝晶生长进行研究。首先,我们给出了微观枝晶生长的控制方程,然后利用宏观温度场计算出的熔池固液界面选定点的冷却速度和温度梯度,研究并分析了不同温度梯度和冷却速度下固液界面的枝晶生长的变化规律,重点讨论了不同情况下模拟区域固相分数以及凝固速度随时间的变化情况。得出冷却速度对于定向凝固的速度起了决定性的作用,而温度梯度影响了晶粒的凝固方向及晶粒的形态,而x方向的流动速度促进了定向凝固的速度。(3)运用格子玻尔兹曼耦合有限体积法对于激光选区熔化的宏观熔池情况及微观固液界面的定向凝固进行模拟研究。包含对于激光选区熔化宏观和微观的模型建立、不同工艺参数条件下的熔池特性模拟。此外,分析了激光增材制造与电子束增材制造过程的不同之处。发现激光的工艺参数对于熔池温度场、形貌尺寸的作用规律与电子束选区熔化的基本一致,但是激光选区熔化因此散热方式的增加使得熔池最高温度及尺寸均略低于电子束方式,而且激光表层的冷却速度均大于电子束方式。