激光同軸送粉增材制造薄壁試樣的溫度演化

王 霞，王 維

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

增材制造是通過材料離散，然后逐漸累加的方式來(lái)制造實(shí)體零件[1]。該技術(shù)是信息技術(shù)、新材料技術(shù)和制造技術(shù)等多學(xué)科交叉融合的先進(jìn)制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬零件的無(wú)模具近凈成形，被譽(yù)為一種低成本、短周期、設(shè)計(jì)制造一體化的變革性制造技術(shù)[2]。近年來(lái)，正成為制造、材料、光學(xué)、檢測(cè)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)[3]。激光同軸送粉增材制造是利用高能激光作為熱源，熔化同步送進(jìn)的金屬粉末，粉末流和激光束同軸，激光逐點(diǎn)、逐線、逐層掃描，粉末不斷熔化、凝固、堆積，最終實(shí)現(xiàn)零件形狀、性能的一體化成形[4]。

在激光同軸送粉增材制造過程中，由于高能量密度的激光熱輸入和瞬時(shí)復(fù)雜的熱傳遞，會(huì)導(dǎo)致試樣內(nèi)部形成瞬態(tài)多變的溫度場(chǎng)，試樣中每一點(diǎn)材料都要經(jīng)歷熔化、凝固、冷卻、再升溫、再冷卻等非穩(wěn)態(tài)的、變化劇烈的熱循環(huán)。這種瞬態(tài)的溫度變化、不均衡的熱量分布，會(huì)對(duì)成形零件的殘余應(yīng)力、尺寸精度、組織、性能等產(chǎn)生嚴(yán)重影響[5]。因此，闡明增材制造過程中溫度隨時(shí)間的演變機(jī)理、隨空間的分布特性，是增材制造面臨的難點(diǎn)問題，是做到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并有效控制的前提條件。

本文采用實(shí)驗(yàn)和ANSYS Mechanical APDL（Parametric Design Language，參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言）有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究激光同軸送粉增材制造薄壁試樣時(shí)，溫度隨時(shí)間、空間的演變特性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

選用TC4 球形粉末，粒度-60～200 目，采用YLS-6000 型光纖激光器，為避免氧化，實(shí)驗(yàn)在氬氣氣氛保護(hù)箱中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)為：掃描速度8mm/s、光斑直徑4mm、激光功率1000W、單層高度0.5mm，共增材6 層，每層均為單道，層間往復(fù)進(jìn)行掃描。基板選用材料也是TC4，尺寸為61mm×18mm×2mm。實(shí)驗(yàn)中基板采用懸臂梁夾持方式，左側(cè)固定10mm，增材薄壁試樣長(zhǎng)度為30mm，位于基板除去夾持端的中段，如圖1 所示。其中，T1、T2為熱電偶測(cè)溫點(diǎn)位置。

圖1 試樣尺寸和熱電偶位置

2 有限元模型建立

本工作采用ANSYS Mechanical APDL，通過生死單元法來(lái)控制材料的不斷生長(zhǎng)添加，利用編程來(lái)實(shí)現(xiàn)增材過程中瞬態(tài)的溫度場(chǎng)模擬。粉末和基板材料均為TC4，其熱物性參數(shù)見表1。單元類型選用SOLID70，單元形狀為六面體，建模后對(duì)基板和薄壁試樣統(tǒng)一進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，尺寸為0.5mm×0.5mm×0.5mm，有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2。設(shè)置初始環(huán)境溫度為20℃，增材結(jié)束之后冷卻100s。

表1 TC4 鈦合金熱物性參數(shù)[6]

圖2 有限元模型

3 結(jié)果分析

3.1 節(jié)點(diǎn)溫度演化

圖3 為增材過程中T1、T2 兩點(diǎn)（見圖1）熱電偶實(shí)測(cè)和模擬溫度時(shí)間曲線，可見模擬和實(shí)測(cè)值非常接近，模擬具有可行性。由圖3 可見，在增材進(jìn)行過程中，溫度曲線呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，這是由掃描所采用的層間往復(fù)方式形成的。單數(shù)層時(shí)激光前進(jìn)方向?yàn)閺淖笸遥鳷1 點(diǎn)位于試樣左側(cè)，溫度數(shù)值首先上升。兩點(diǎn)于25s 時(shí)到達(dá)溫度的極大值，實(shí)測(cè)數(shù)值分別為757℃、785℃，平均升溫速率為30.3℃/s、31.4℃/s，這種差異是由于兩端的熱傳導(dǎo)條件不同造成的，左側(cè)為夾持端，散熱條件較好。在本實(shí)驗(yàn)中增材制造停光時(shí)間為20s，可見停光后溫度依舊會(huì)從試樣向基板傳遞。冷卻100s 后，T1、T2 兩點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度分別為186℃、207℃，降溫速率分別為6.0℃/s、6.1℃/s，差別不大。

圖3 T1、T2 測(cè)量和模擬溫度時(shí)間曲線

3.2 溫度場(chǎng)演化

圖4 為增材每一層中間部位時(shí)的溫度云圖。在圖4a中可清晰觀察到熔池，以及彗尾狀的熱影響區(qū)，熔池前端等溫面密集，溫度梯度大，而后端等溫面比較稀疏，溫度梯度較小。從圖4（a）～（f），基板溫度從20℃增加為41.6℃，熔池溫度從1833.0℃增加為2167℃，可見隨著增材層數(shù)的遞增，無(wú)論是基板最低溫度，還是熔池最高溫度，都在逐漸升高，而且高溫區(qū)域包圍在增材薄壁試樣周圍，范圍逐漸擴(kuò)大，溫度存在明顯累積效應(yīng)。TC4 的熔點(diǎn)溫度為1650℃，在圖4（d）-（f）中，可見熔池已經(jīng)超越了一層的厚度，便于層間形成冶金結(jié)合。

圖5 為冷卻1s 和100s 時(shí)的溫度云圖。由圖5a 可見，冷卻瞬間，在熱傳遞作用下，最高溫度急速下降為1335.3℃，而基板最低溫度上升到57.8℃，極限溫差為1277.5℃，整體溫度梯度相比圖4（f）有明顯下降。圖5（b）中，冷卻100s 后，極限溫差已經(jīng)縮小到61.9℃，試樣和基板整體溫度梯度已不大。但比較圖5（a）和5（b），發(fā)現(xiàn)最高溫度快速下降的同時(shí)，基板最低溫度在冷卻100s 的過程中持續(xù)處于升高狀態(tài)，整體溫度梯度不斷縮小，溫度趨于平均分布。

圖4 增材1～6 層中間部位時(shí)溫度云圖

圖5 冷卻1s 和100s 時(shí)溫度云圖

4 結(jié)論

本文采用實(shí)驗(yàn)和ANSYS Mechanical APDL 有限元仿真相結(jié)合的方式，研究激光同軸送粉增材制造薄壁試樣時(shí)，溫度的時(shí)空演變特性。經(jīng)過分析，有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)溫結(jié)果具有一致性。

基板上節(jié)點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線在增材制造過程中隨著往復(fù)式的掃描路徑循環(huán)上升，在停光后依然會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)保持升溫趨勢(shì)，然后以約為6.0℃/s 的速率冷卻降溫。不同時(shí)間的溫度云圖顯示，隨著層數(shù)增加，熔池溫度數(shù)值增加，同時(shí)高溫區(qū)域范圍擴(kuò)大。冷卻時(shí)，極限溫差急速下降，溫度梯度不斷減小。