激光同軸送粉增材較高試樣溫度場的傳熱特性

王 霞 王 維

（1.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870；2.沈陽航空航天大學 機電工程學院，沈陽 110136）

激光同軸送粉增材制造是利用高能激光束熔化同步送進的金屬粉末，使其在基板上逐點、逐線、逐層成型構件[1-2]。在成型過程中，材料會經歷快速冷熱循環的變化。試件中溫度分布極不均勻，溫度場隨時間不斷變化，導致殘余應力和變形累積[3-4]。因此，需要深入分析試樣高度尺寸較大時增材制造過程中溫度場的傳熱特性，為應力變形的分析奠定基礎，為實際增材制造工藝的制定提供理論指導。

本文采用ANSYS Mechanical中的ANSYS參數化設計語言（ANSYS Parametric Design Language，APDL），對激光同軸送粉增材制造較高試樣過程中的瞬態溫度進行有限元仿真，觀察溫度場變化趨勢，分析節點溫度的變化規律和溫度場傳熱特性。

1 有限元模型建立

有限元模型和掃描方式如圖1所示。其中，基板尺寸為214 mm×42 mm×6 mm，增材試樣尺寸為32 mm×22 mm×38 mm。在APDL程序編制中，利用生死單元法來模擬增材過程。網格選用SOLID70，增材試樣單元大小為2 mm×2 mm×0.5 mm，基板單元中，距離試樣越遠，網格劃分越大。試樣劃分為76層，整體包含19 584個節點，16 226個單元。制造工藝參數為激光功率1 200 W、掃描速率8 mm ·s-1、光斑直徑4 mm、掃描道間距2 mm以及單層高度0.5 mm。每層均沿短邊往復式掃描，但起光點位置不同，起光位置分別為A～B～C～D～A。基板和粉末材料均選用TC4，其密度、比熱和導熱系數選自參考文獻[5]。

圖1 有限元模型和掃描方式

2 結果與討論

2.1 不同時間點溫度場分析

4個時間點的溫度分布云圖，如圖2所示。此時，激光光斑基本位于每一層的中間位置。由圖2可見，隨著增材的不斷進行，熱量累積效果明顯，熔池溫度不斷上升，但上升幅度不大，約為每層0.7 ℃；基板最低溫度先上升后下降，說明當光斑和基板距離足夠遠時，激光傳遞到基板的能量已不能抵消熱量的散失。對比圖2中4幅圖形基板的溫度場分布，可見隨高度增加，基板高溫區域范圍也在縮小，呈現出向試樣投影區域靠近的趨勢。

圖2 不同時間點的溫度分布云圖

增材結束后，冷卻10 s和70 s時的溫度場云圖如圖3所示。由圖3可見，最高溫度下降迅速，平均降溫速率為6.03℃·s-1。溫度從試樣頂部向基板傳遞，在高度方向出現明顯的梯度分布特性，試樣上部溫度先趨于均勻化。冷卻過程中，熱量不斷向基板擴散，因為基板縱向（X向）尺寸最大，所以該向溫度梯度明顯。因為熱量持續向邊緣傳遞，所以基板最低溫度降幅不大。

圖3 冷卻10 s和70 s的溫度場云圖

2.2 不同位置節點溫度變化分析

增材試樣內部不同高度中心點的熱循環曲線和點的位置如圖4所示，其中測試點距離基板分別為10 mm、20 mm和30 mm。3條熱循環曲線具有相似性，因為該節點“出生”時間不同，所以起始位置不同，起始溫度也稍有差異。由圖4可見，隨著層數的增加，熔池溫度略有上升。TC4的熔點溫度為1 650 ℃，每條熱循環曲線的前兩個峰值都超出了熔點，因此每個點都經歷過一次重熔。3點的谷值溫度比較穩定，由于熱累積作用，數值隨著高度增加略有上漲。冷卻100 s的時間內，各點的溫度均迅速下降，下降速率分別為2.19 ℃·s-1、3.27 ℃·s-1、4.57 ℃·s-1。高度為30 mm點的下降速率最快，能夠使溫度均勻分布。

圖4 增材試樣內部不同高度中心點的熱循環曲線

3 結語

本文通過ANSYS Mechanical中的APDL，實現了對激光同軸送粉增材制造較高試樣的溫度場模擬，并研究了其傳熱特性。增材制造較高試樣時，隨著高度增加，熔池溫度略有增加；當試樣高度較小時，基板最低溫度會先上升，但當試樣高度達到一定數值后，會導致其逐漸下降；高度增加，基板高溫區域范圍會收縮，呈現出向試樣投影區域靠攏的趨勢；冷卻時，溫度在試樣高度方向出現明顯的梯度分布特性，其上部溫度會先趨于均勻化；隨高度增加，節點熱歷史中谷值溫度增加，冷卻時降溫速率增大。