金屬粉末激光直接燒結(jié)溫度場(chǎng)的三維有限元模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、金屬粉末激光直接燒結(jié)(Direct Metal Laser Sintering，DMLS)技術(shù)是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的一個(gè)重要分支，由于無需任何工模具、不受零件幾何形狀限制、材料利用率高、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)極大地提高了生產(chǎn)柔性，日益成為先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 目前，球化效應(yīng)和成形件翹曲變形是DMLS領(lǐng)域中急需解決的兩大問題，集中輸入的局部激光移動(dòng)熱源勢(shì)必造成溫度場(chǎng)的分布不穩(wěn)定、不均衡，這樣的溫度場(chǎng)及其產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致成形

2、件質(zhì)量問題的根本原因。金屬零件能否順利成形及成形后的組織、性能的優(yōu)劣直接取決于成形工藝參數(shù)的選擇，因此要想正確選擇成形工藝參數(shù)，獲得形狀規(guī)整、組織致密和性能優(yōu)良的成形零件，就必須掌握DMLS工藝過程中溫度場(chǎng)隨時(shí)間的演變規(guī)律。本文主要針對(duì)DMLS溫度場(chǎng)有限元模擬及相關(guān)實(shí)驗(yàn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了深入的研究： 1.分析國內(nèi)外DMLS工藝及溫度場(chǎng)有限元模擬的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，指出影響成形件質(zhì)量的關(guān)鍵問題以及目前溫度場(chǎng)有限元模擬的不足之處。

3、 2.將ANSYS的“單元生死”技術(shù)引入到DMLS溫度場(chǎng)的多層燒結(jié)模擬中，實(shí)現(xiàn)多層燒結(jié)材料的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)過程描述；同時(shí)還成功解決了激光熱源的移動(dòng)和加載、材料非線性的處理、相變潛熱的處理、圓形光斑的處理等關(guān)鍵問題。 3.綜合考慮熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流以及材料的高度非線性，基于ANSYS平臺(tái)建立了與DMLS實(shí)際工藝過程相一致的三維有限元模型，以Ni基合金粉末為燒結(jié)材料進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬。分析了激光熔池的加熱冷卻規(guī)律、各燒結(jié)道之間及各

4、燒結(jié)層之間的相互影響規(guī)律，不同工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律等，在此基礎(chǔ)上選擇合適了工藝參數(shù)。 4.實(shí)驗(yàn)以自熔性Ni基合金粉末為研究對(duì)象，以高功率激光器、JXA-840A電子探針分析儀、HVS-1000型顯微硬度計(jì)為主要研究手段，分析了激光功率和掃描速度這兩個(gè)最主要的工藝參數(shù)對(duì)金屬粉末燒結(jié)成形性及球化效應(yīng)的影響，利用優(yōu)化的工藝參數(shù)成形了多層燒結(jié)件。最后測(cè)量了燒結(jié)深度、燒結(jié)寬度同時(shí)觀察了成形件微觀組織并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明模