不锈钢选区激光熔化悬垂特征成形质量研究

作     者：高英铭 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白倩

授予年度：2022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：选区激光熔化 悬垂特征 热力耦合模型 增减材复合加工 马氏体不锈钢 

摘      要：选区激光熔化（SLM）是一种“自下而上通过材料累加的制造方法,可以实现复杂结构一体化成形。复杂零件中大都包含悬垂特征,悬垂特征成形层下方松散粉末的支撑力度及散热能力不足,易导致挂渣、粘粉等缺陷的产生,增大悬垂表面粗糙度,虽然磨料流等后处理手段可被用于提升表面质量,但其并不适用于处理带悬垂特征的复杂零件表面。另外,悬垂结构还易受SLM过程中的热残余应力影响而产生翘曲变形,影响零件的几何精度。因此,如何保证悬垂特征成形质量是选区激光熔化（SLM）中的主要技术难点。本文开展SLM工艺实验,探究悬垂特征表面质量与悬垂角度的关系,建立悬垂特征SLM的有限元热-力耦合模型,预测SLM成形悬垂结构过程中残余应力及变形情况,提出基于悬垂角度的能量密度确定方法及增减材工序规划策略,实现高表面质量悬垂特征的加工制造。具体研究方法及内容如下:（1）基于Sodick OPM250L选区激光熔化成形平台,采用6511马氏体不锈钢粉末开展不同角度悬垂特征试样的SLM工艺实验,制备金相试样观测分析悬垂表面形貌,提出表面质量的表征方法。结果表明,随着悬垂程度的增加,“台阶效应逐渐明显,表面挂渣、粘粉的数量增加,部分大角度悬垂试样存在翘曲变形现象。（2）通过高温单轴拉伸实验及自由热膨胀实验确立材料的弹塑性参数及相变温度点,使用MSC.Marc有限元软件建立悬垂特征的SLM热-力耦合有限元仿真模型,模拟SLM成形悬垂结构过程中残余应力及变形情况。结果表明,材料在经历加热-冷却-冷却完成的过程中,由于材料热胀冷缩及相变效应的综合影响,降温过程中的马氏体相变产生体积膨胀,阻碍残余拉应力的形成,引入压应力;另外,随着悬垂程度的增加,成形层最高温度、所需冷却时间以及应力/变形水平均会增加。（3）针对不同角度的悬垂特征试样,提出SLM能量密度确定方法。对于高表面质量要求的悬垂特征,开展增减材工艺实验,提出工艺路径规划策略。结果表明,随着激光输入能量密度降低,悬垂特征表面的挂渣、粘粉数量显著减少,提高了表面质量;采用增减材复合制造的方法,使得表面质量进一步提升,Ra值可达0.8μm。