激光选区熔化单道熔池热动态演变模拟与实验研究

作     者：袁伟豪 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏青松;陈辉

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光选区熔化 模拟与实验 VOF多相流 反冲压力 熔池演变 高斯激光 平顶激光 

摘      要：在激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)过程中,熔池的物理冶金行为对成形零件的性能具有重要影响。但是,由于熔池处于高速运动变化,采用实验实时观测熔池热动态演变较为困难,同时采用实验“试错法表征成本高,不确定性大。因此,数值模拟成了揭示SLM熔池行为和特征的重要技术途径。本论文旨在通过模拟与实验相结合的方法,探究SLM工艺因素对熔池热动态演变的影响规律,为理解SLM冶金机理和优化其工艺提供理论依据。主要工作及结果如下。建模方面,采用离散元和计算流体力学的方法建立了SLM金属粉床模型和熔池物理模型,利用“射线-追踪算法施加反冲压力和激光热源,使用流体体积(Volume of Fluid,VOF)法计算气液界面及其变化。另外,反冲压力和激光热源的施加基于“射线-追踪算法。首先研究了激光扫描速度对熔池热动态演变的影响。根据熔池的温度演变、流动形式以及凝固后的熔池表面形貌(连续性、均匀性)和缺陷(球化、气孔)的形成,将熔池分为非稳态、过渡态和稳态三种状态;讨论了不同状态的熔池的演变规律及对成形块体致密度的影响。此外,发现反冲压力的存在对块体致密度的影响具有双重效果:既可以平衡表面张力,稳定熔池;也可能引发匙孔,导致孔隙缺陷。针对反冲压力的双重性,特别研究了其随工艺参数变化及其对熔池特征的影响。发现当激光线能量密度为定值时,扫描速度越大熔池凹陷越深,且决定了熔池的尺寸;当扫描速度为定值时,激光功率越大熔池凹陷越深,但对熔化道的宽度影响不大。熔池凹陷深度随时间在一定范围内波动,工艺参数的选择应保证熔池凹陷深度波动范围最小,并使凹陷深度尽可能小。另外研究了不同激光形式(高斯光和平顶光)对熔池演变的影响。发现平顶激光作用下,粉末从顶部开始熔化,熔体会出现球化倾向,基板的及时熔化会连接球状熔体形成均匀平坦的熔池。另外讨论了两种激光对定向晶成形的影响,发现高斯激光熔池内部熔体流速大,存在多个复杂环流;而平顶激光下,熔池横截面下半部分的熔体流速小于0.2m/s,且没有环流,更有利于晶粒连续、定向的外延生长。