IN718合金增材制造溫度場仿真及微觀組織分析

梁 晨，馬雅麗，閆立山

(大連理工大學機械工程學院，大連 116024)

0 引言

SLM是增材制造技術的重要分支之一，可以靈活制造許多復雜構件。但是極高的溫度梯度和凝固速度使增材制造的微觀組織與傳統制造工藝有明顯差別，工藝與組織的關系往往難以準確把握。增材制造工藝過程中，熱物理量的實驗測量是困難的，因為工藝過程中激光掃描速度、熔池冷卻速率過快。因此，通常選擇數值模擬方法作為解決上述問題[1]。

增材制造和熔焊具有相似的熱源模型，其熱源模型常使用高斯表面熱源[2-3]。任繼文等[4]研究了工藝參數對不銹鋼材料的激光燒結溫度場的影響。TABERNERO等[5]模擬了激光和粉末相互作用過程的能量衰減，考慮了顆粒尺寸和光束發散。SHI等[1]對SLM工藝制造IN718材料的溫度場進行仿真，并加以實驗驗證。

在過去的研究中，仿真研究一般局限于溫度場的模擬，而微觀組織的研究一般基于實驗。基于仿真模擬結果定量計算以預測增材微觀組織的研究較少。本文模擬了IN718合金SLM增材制造中的傳熱過程，研究工藝參數對熔池的影響。提取熔池固液界面處的溫度梯度和凝固速度，并以此為依據，計算熔池不同位置的等軸晶-柱狀晶形成條件，研究激光功率與掃描速度對微觀組織的影響。

1 SLM工藝過程仿真的數值模型

圖1描述了SLM成形原理示意圖，定義Y、Z方向分別為掃描方向和沉積方向。

圖1 SLM原理示意圖以及坐標軸方向

1.1 控制方程

SLM溫度場仿真模型屬于非線性瞬態熱傳導模型，其中導熱微分方程表達為：