激光熔絲增材制造過程的溫度與組織演變研究

邸艷艷 黃安國 葉杰

摘要：激光熔絲增材制造工藝參數對凝固組織特別是晶粒尺寸有重要影響，從而影響成形件的性能。基于有限元方法對激光熔絲增材316L不銹鋼過程的熱歷史進行了仿真，研究了不同增材工藝對晶粒尺寸的影響。結果表明，模擬得到的熔池尺寸于與實際相吻合，在垂直于掃描方向和厚度方向均有能量傳遞。隨著掃描速度的增加，成形過程的最高溫度減小。單層組織的底部區域為胞狀晶、中部區域為粗大的柱狀樹枝晶、頂部區域為細小的等軸晶，柱狀樹枝晶的一次枝晶間距隨掃描速度的增加而減小。

關鍵詞：激光熔絲增材;溫度場;組織演變

0? ? 前言

激光熔絲增材制造技術具有生產接近最終成形形狀的金屬零件的能力，可實現難加工金屬的制造，并且具有靈活性、制造周期短、材料利用率高、成本低的優點，相對于傳統制造技術具有很大的優勢[1-2]。激光增材制造中微觀結構的形成和熱過程密切相關，熱過程受許多加工參數（如掃描速度，激光功率和送絲速度）的影響。近年來國內外許多學者對激光增材制造過程溫度分布和微觀結構演變進行了研究。任朝暉[3]用ABAQUS軟件建立其完全熱力耦合有限元模型，研究Ti-6Al-4V鈦合金單道多層薄壁件沉積過程中的熱循環特性和殘余應力分布。李俐群[4]結合有限元數值模擬方法，研究了Ti6Al4V單墻體的激光熔化沉積過程中激光功率、掃描速度等對熔池尺寸、微觀組織定向生長特性的影響規律。Tran[5]通過建立三維傳熱模型，可以準確地預測激光熔覆區過程的溫度場，并研究了熱歷史與堆積層最終的微觀結構之間的關系。

本文通過有限元建模和實驗相結合的分析，重點研究研究不同激光熔絲增材制造的工藝參數對溫度和晶粒尺寸的影響規律。

1 實驗材料和方法

實驗所用的焊絲和基板均為316L不銹鋼，絲的直徑為1.2 mm，其化學成分如表1所示。實驗采用的主要設備為福尼斯TransPuls Synergic 4000焊機和光纖激光器，試驗參數如表2所示。

2 增材過程溫度場數值仿真

2.1 有限元模型的建立

建立的幾何模型如圖1所示，為了獲得較高的計算機高度，劃分網格時堆積部位附近的網格比較密集，遠離堆積的區域網格尺寸較大，如圖2所示。模擬過程中采用生死單元法，堆積時為活單元，未堆積部位為死單元。316L不銹鋼的熱物性參數如3所示。

2.2 熱分析

激光熔絲增材過程是一個快冷快熱的瞬態非線性過程，增材過程涉及傳熱學、冶金學和力學，十分復雜[6-7]。為便于計算，進行如下假設：材料各向同性;忽略熔池的流動和重力的影響;忽略基板對工作臺和夾具的熱傳導。激光熔絲增材制造過程中存在熱傳導、熱對流以及熱輻射三種傳熱方式。綜合考慮這些因素，建立三維瞬態傳熱方程：

熱源模型對于溫度場仿真非常關鍵。激光照射時能量主要在中心，從中心到邊緣呈現降低趨勢，所以用體熱源比較合適。目前大多數學者采用高斯體熱源來描述激光的能量分布[8]。高斯旋轉體熱源模型的數學模型為：

式中 H為體熱源高度，η為熱效率系數。

3 結果與分析

3.1 掃描速度對熔池形貌和溫度分布的影響

掃描速度為0.012 m/s時的熔池尺寸與模擬的結果的對比如圖3所示。通過計算，熔池形貌的誤差大約為0.806%，誤差很小，基本上一致。圖4、圖5、圖6為單層掃描速度分別為0.008 m/s、0.012 m/s和0.016 m/s的不同位置溫度分布結果?？梢钥闯?，增材過程中在垂直于掃描方向和基板高度方向均有能量傳遞，但是在基體底部區域和邊界區域溫度變化不明顯。原因是堆積層和基板之間是固態傳熱，效率小于熔池內液態金屬之間的對流傳熱。模擬結果顯示熔池平均溫度隨掃描速度的增大逐漸減小。掃描速度越快，熱源加熱熔化絲材的時間越短，給予的熱量就越少，絲材可能沒有足夠時間充分熔化，導致熔池內最高溫度越低。

圖7、圖8分別為三種掃描速度下熔池底部、中部、頂部區域特征點隨時間變化的溫度曲線?？梢钥闯觯鄢氐撞繙囟茸畹停鄢刂胁考椿迮c沉積層的界面處溫度梯度最大。原因是增材是一個快速加熱和冷卻的過程，激光照射時，材料迅速熔化，與基板接觸，形成較大的溫差，會形成熔池底部較高的溫度梯度。由于熔池內部不同區域的傳熱能力有差異和激光能量分布不均，頂部區域到其他部分的熱量比頂部區域向室內環境的傳熱弱得多，頂部相對其他區域具有較強的對流和輻射，所以會形成中部有更高的溫度梯度。

3.2 掃描速度對微觀結構的影響

激光熔絲增材成形的316L不銹鋼試樣的微觀如圖9、圖10所示。可以看到沉積態的組織主要由奧氏體和鐵素體相組成;靠近熔合線部位主要為胞狀晶，熔池中部存在大量粗大的柱狀樹枝晶，頂部區域為細小的等軸晶。通過計算得到在掃描速度分別為0.008 m/s、0.012 m/s和0.016 m/s時柱狀晶的一次枝晶間距分別為11.875 μm、11.039 5 μm、8.734 1 μm。隨著掃描速度的增加，奧氏體柱狀枝晶的一次枝晶間距逐漸減小。由于當其他工藝參數一定時，隨著掃描速度的增加，激光熱源移動速度增加，熔池內部溫度梯度減小，熔池冷卻速率和凝固速率變大，液固轉變時間減小，導致晶粒生長時間變小，奧氏體柱狀枝晶一次枝晶間距減小。

4 結論

（1）采用有限元法對激光熔絲增材制造過程的溫度演變進行仿真，在垂直于掃描方向和厚度方向均有能量傳遞，但是基體底部和邊界上溫度沒有較大變化。

（2）隨著掃描速度的增加，激光熔絲增材制造過程中的平均溫度呈下降趨勢。

（3）柱狀樹枝晶的一次枝晶間距隨著掃描速度的增加而減小。

參考文獻：

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