金属TC4增材制造缺陷形成的有限元模拟及实验分析

作     者：王春锦 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈文革

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：有限元 SLM EBSM 缺陷 TC4 模拟分析 

摘      要：3D打印技术相较于传统的材料加工方式,以其独特的逐层打印的制备方式,具备制造周期短和材料利用率高的优势。在金属3D打印技术中,粉末床熔化技术具有成型精度高且可直接成型具有复杂内部结构制件的能力。但金属粉末床熔化过程中,热源和金属粉体直接接触使粉末床表面出现众多复杂和剧烈的物理现象,使3D打印制件内部出现孔隙、裂纹和夹杂等缺陷,极大地影响了 3D打印制件的性能,甚至限制了 3D打印技术的发展。目前对增材制造制件内部不同的缺陷产生的原因和机制尚未达成共识,且对已成型制件进行实验难以观测到缺陷的形成过程。因此本文采用介观尺度模型和连续模型模拟在相同线能量密度下,激光选区熔化技术(SLM)和电子束选区熔化技术(EBSM)制备TC4合金过程中的金属粉体的熔化、凝固、温度场和应力场来分析缺陷产生的原因,通过实验验证有限元模拟结果的有效性,并提出3D打印制件缺陷产生的机制。得到的主要结果有: (1)在激光功率280～300 W,扫描速度1.4～1.6 m/s,激光束直径100μm的工艺参数下,模拟SLM制备TC4合金发现,在打印面上温度场以激光束斑点为中心,呈现阶梯状分布,即靠近激光束斑点处的温度高,远离激光束斑点的温度迅速降低。应力场则与温度场结果相反,在已经凝固的区域的应力最高,且打印结束后仍存在较高的残余应力。在熔池运动过程中固态和液态金属表面蒸汽压差导致界面处的气体被裹挟至熔池内来不及溢出而留在材料内部形成孔隙。激光扫描时熔道的相互搭接使封闭在熔道间的孔隙因温度分布不均难以完全被液相填满,从而形成异形孔隙。另外,SLM过程中产生的热应力或残余应力超过了材料的强度极限,可能产生裂纹。 (2)在与模拟SLM制备TC4合金相同的工艺参数下,通过SLM技术制备出致密度为97.7%的TC4合金。晶粒在沿打印方向和垂直打印方向分别为等轴晶和柱状晶,组织均为初生β-Ti、α-Ti和针状α -Ti。观察到材料表面出现球化、裂纹和未熔合孔隙,材料内部出现球形孔隙、异形孔隙和裂纹等缺陷。 (3)在激发电压60～65 kV,电流5～5.5 mA,扫描速度1.4～1.6 m/s,电子束直径100μm的工艺参数下,模拟EBSM制备TC4合金发现,靠近电子束中心温度最高,远离电子束中心温度逐渐降低,应力场分布与温度场分布相反,且最高残余应力同样出现在熔道中心。但电子束打印过程中的温度梯度、热应力和残余应力均小于SLM过程。由于熔池界面与金属粉体间的蒸汽压差使气体被裹挟在熔池内部无法滥出,导致在EBSM过程中熔道内部出现孔隙缺陷。另外在凝固过程中,随着熔体温度逐渐降低至固相线,材料出现体积收缩后没有额外的金属熔体作为补充,也易出现缩孔。EBSM过程中固态和液态金属间的蒸汽压差小,使孔隙缺陷的尺寸小于SLM。由于熔道间温度较低且分布不均匀导致熔道间出现异形孔隙,当EBSM加工过程中材料内的应力超过了材料极限导致裂纹产生,由于打印过程中的预热,异形孔隙尺寸减小,裂纹数量降低。 (4)在与模拟EBSM制备TC4材料相同的工艺参数下,通过EBSM技术制备出致密度为97.3%的TC4合金。制备的TC4合金在沿打印方向和垂直打印方向的显微组织均为初生β-Ti、α-Ti和粗化α -Ti,晶粒分别为等轴晶和柱状晶。观察到材料表面出现球化和裂纹缺陷,材料内部出现球形孔隙和异形孔隙。