激光选区熔化单道扫描与搭接数值模拟及试验

激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）单道扫描的数值模拟,在数值建模时多采用规则实体模拟铺设的粉末层,通过等效定义材料热物理属性模拟铺设粉末层中粉末与气体共存的情况,难以模拟粉末颗粒的随机性而带来的扫描结果的随机性,且难以分析熔池形貌、内部缺陷的微观衍变过程。针对SLM成形过程中激光功率和单道搭接率对扫描单道和单道搭接质量的影响,以316L不锈钢材料为例,建立SLM首层单道扫描与单道搭接数值模拟模型。SLM的铺粉过程在基于离散单元法的EDEM中建立,并得到数值化的粉床几何模型。SLM的单道扫描与搭接的模拟基于有限体积法,在FLUENT中实现,采用两相流模型与熔化/凝固模型捕捉熔池形貌变化过程,得到不同激光功率和扫描搭接率下成形单道与单道搭接的数值模型。最后结合试验表明了在100~300 W激光功率下成形单道表面形貌与缺陷的形成,当激光功率为100~150 W时,单道形貌不规则,且容易形成局部缺陷;在200~300 W功率下,激光功率越大,保证搭接质量的最低搭接率越小,当激光功率为250 W时,应保证单道填充间距不大于0.1 mm。研究成果对SLM工艺参数的调整与优化具有重要的参考价值。     

微型器件选区激光熔化成形温度场的有限元分析

为选择合适的工艺参数实现微型器件的选区激光熔化直接成形,利用ANSYS有限元软件对成形过程的温度场进行了分析。结果表明,温度场的形貌大致呈椭圆形,熔池位置滞后于激光光斑位置,粉末层最高温度、熔池最大宽度和深度均随着扫描速度的增加而减小、随着激光功率的增加而增大。根据分析结果选择合适的工艺参数,当光斑直径为50μm、粉末层厚为30μm、激光功率为200W、扫描速度为800mm/s和扫描间距为100μm时,成形的效果最好,制备出了具有较高精度和物理性能的微型钻头。     

激光选区熔化近α钛合金开裂机理及抑制研究

研究了近α钛合金激光选区熔化(SLM)成形开裂机理及抑制工艺,利用扫描电子显微镜等研究了试件裂纹形貌及其扩展方向、裂纹源等问题。研究结果表明:SLM成形过程中在试样侧壁形成凹凸不平的缺口及Ti3O、TiO、TiC等硬脆化合物;在残余应力作用下,裂纹起源于侧壁缺口,在沉积层上沿硬脆化合物扩展。当工艺参数为激光功率140W,扫描速度450mm/s,铺粉层厚0.03mm,扫描间距0.07mm,SLM成形温度350℃,保温1h缓冷至室温时,可有效抑制试件开裂。     

S136模具钢粉末选区激光熔化成形工艺窗口试验研究

利用选区激光熔化(SLM)技术对S136模具钢粉末进行不同激光功率和扫描速度组合下的单道扫描试验,分析归类了熔道形貌特征,研究了熔道宽度的成型稳定度下最优工艺窗口,研究了激光功率和扫描速度对熔道宽度的影响规律,分析了较优工艺参数组合下熔道形貌特征产生的原因。     

工艺参数对激光选区熔化成形TA32钛合金成形质量及硬度的影响

采用激光选区熔化（SLM）技术制备TA32钛合金试样,研究了激光功率（200～400 W）、扫描速度(800～1 200 mm·s^-1)和扫描间距（90～130μm）对成形质量及硬度的影响。结果表明：随着扫描速度增加,SLM成形TA32钛合金的表面粗糙度先减小后增大,相对密度和维氏硬度均逐渐降低;随着扫描间距增大,钛合金的表面粗糙度先减小后增大,相对密度和维氏硬度均先降低后升高;随着激光功率增加,钛合金的表面粗糙度先减小后增大,相对密度和维氏硬度均先升高后降低;适用于TA32钛合金SLM成形的激光能量密度范围为45～75 J·mm^-3。     

激光熔覆镍基碳化钨工艺研究

利用IPG光纤激光器YLR-3000激光加工系统,探究45#钢表面多道激光熔覆自熔性镍基碳化钨粉末最佳工艺参数。首先通过改变单因素变量,得出单道激光熔覆时最佳激光功率、送粉电压和扫描速度,进一步确定离焦量和搭接率的选取,最后进行激光熔覆梯度涂层实验。单道实验中最佳工艺参数为激光功率1200W、送粉电压7V、扫描速度2mm/s,离焦量3mm,表面洛氏硬度(HRC:60)是基体(HRC:22)的3倍;当Ni60A粉末作为底层材料时,平均洛氏硬度是基体(HRC:22)的2.5倍,熔覆层厚度均匀且熔池深度基本保持不变,第一道与最后一道熔覆层的高度差仅为0.10mm,当Fe基合金粉末作为底层材料时,高度差0.28mm;熔覆层组织晶粒的形状在扫描方向上呈现出逐渐增大,熔覆层底层与上层冶金结合很好,其组织晶粒过度连续;熔覆层上层显微硬度分布均匀,约是基体的3倍。激光熔覆梯度涂层材料且上层材料为自熔性镍基碳化钨粉末时,底层材料选择Ni60A粉末,得到的涂层成形质量更佳,最佳工艺参数为激光功率1200W、送粉电压7V、扫描速度2mm/s、离焦量3mm、搭接率25.47%。     

选区激光熔化成形工艺对多孔TC4钛合金显微组织的影响

采用Rhino软件构建了泰森多边形不规则多孔结构,利用选区激光熔化(SLM)技术成形多孔TC4钛合金,研究了激光功率(180, 200, 220 W)、扫描速度(1 200, 1 600, 2 000 mm·s^-1)、扫描间距(80, 100, 120μm)对其显微组织的影响。结果表明：随着激光功率的增大、扫描速度的减小或扫描间距的增大,SLM成形多孔TC4钛合金实体部分的微观孔洞缺陷数量和尺寸减小,相对密度提高,扫描速度是影响缺陷生成的主要原因;在激光功率220 W、扫描速度1 200 mm·s^-1、扫描间距120μm条件下钛合金具有最少的微观孔洞缺陷,其相对密度可达99.2%。靠近多孔结构孔隙部分的截面存在等轴晶和平行于基板表面的柱状晶,而远离孔隙部分的组织主要由β柱状晶组成,柱状晶内部为与其长轴成±45°且平行排列的初生针状马氏体;随着激光功率的减小、扫描速度的增大或扫描间距的减小,柱状晶的宽度和初生马氏体的长度均减小,扫描间距对显微组织的影响更大。     

激光钎焊多层金刚石磨粒Ni-Cr合金成形工艺研究

为实现多层金刚石磨粒逐层激光钎焊成形,从单道扫描到单层扫描,再到多层扫描,系统研究了镍铬合金与金刚石磨粒的多层激光钎焊工艺。通过提取钎焊道与层的截面成形特征参量,对钎焊层截面成形质量进行参数化评价,并结合钎焊层表面形态,对钎焊层综合成形特性进行评价和讨论,研究了工艺参数对钎焊成形的影响。研究结果表明：激光功率与扫描速度是影响钎焊成形的重要因素,不仅影响着合金粉末的熔合程度、熔池宽度,还影响金刚石的分散状态和钎料对金刚石的浸润包裹性,最终影响钎焊层的平整性。当道与道之间的搭接率为30%~40%时,钎焊成形质量较好。在采用逆向扫描策略,扫描道数为10、固定激光功率为700 W、扫描速度为15 mm/s、光斑直径为1.5 mm、搭接率为30%的条件下,实现了多层磨粒的激光逐层钎焊成形,钎料对金刚石浸润包裹充分,钎焊层中间区域平整连续,整体成形质量好。     

选择性激光熔化工艺的介-微观建模与仿真方法综述

选择性激光熔化(Selective laser melting, SLM)工艺是一个复杂的物理化学冶金过程,既涉及宏观零件尺度、介观熔池尺度和微观金相尺度等多尺度问题,又包含相变、流动、传热、传质等多物理场耦合作用。由于采用实验手段在线观测工艺过程十分困难,并且周期长、成本高,因此高保真的数值模拟方法已成为探究SLM工艺机理、预测工艺成形质量的重要手段。从介观粉末熔池演变和微观凝固组织形成两个方面,详细论述了SLM工艺数值模拟的物理模型与仿真方法的内涵,分析了各个物理模型和仿真方法的特点、优势及其适用范围,并综述了SLM工艺过程介观熔池物理行为和微观组织形貌的数值仿真研究现状。最后,总结了SLM介微观数值模拟方法目前所面临的挑战和发展趋势。     

反冲压力作用下激光选区熔化熔池热动力学行为

激光选区熔化(SLM)过程中,金属蒸发产生的反冲压力会改变熔池的热力学行为,导致零件缺陷。以316L不锈钢粉末为对象,通过数值模拟和试验测试,分析了不同激光工艺参数下反冲压力对熔池温度场和速度场的影响规律。其中,数值模型基于VOF多相流原理,充分考虑金属蒸发的反冲压力,同时结合了界面追踪热源模型。结果表明:固定激光线能量密度为300J/m时,较大的扫描速度(1.0m/s)会得到沿扫描方向更大范围的熔池,也会产生更深的凹陷;当激光扫描速度一定时(1.0m/s),熔池凹陷深度随激光功率增大而增大;并且凹陷深度越大,熔池深度越大,但沿扫描方向的熔池范围、熔化道表面形貌和宽度变化不大。     

关于钩缓装置激光修复的工艺参数的研究

本文利用Laserline LDF4000-100型激光器在40Cr钢板上制备8620合金涂层,以熔覆层截面形貌质量作为指标,优化工艺参数,并研究了工艺参数对显微硬度的影响。结果表明,当采用激光功率2500W、扫描速度650mm/min、送粉率8%作为工艺参数进行单道熔覆时,可以获得结合强度较高、表面成型良好的熔覆层;当采用激光功率2500W、扫描速度650mm/min、送粉率8%、搭接率60%作为工艺参数进行多道熔覆时,可以获得焊道熔深合适、熔合良好的熔覆层。在一定参数范围内,激光功率增加可以导致熔覆层显微硬度下降,而扫描速度和送粉率增加则可以增加熔覆层显微硬度。     

选区激光熔化工艺参数对Ti6Al4V粉末成型性的影响

以Ti6Al4V钛合金粉末为研究对象,在单层扫描和单道扫描实验的基础上,研究SLM工艺参数对Ti6Al4V合金材料成型性的影响,并进行了块体成型实验,通过设计正交试验及观察试样的形貌和致密度分析,最终得到Ti6Al4V合金粉末SLM块体成型的最佳工艺参数为:激光功率400W、搭接率1、扫描速度750mm/min,其致密度可以达到96.17％.     

选择性激光熔覆快速成形工艺过程能效分析与优化

通过选择性激光熔覆(SLM)系统能耗构成及特征分析,构建了系统能耗及比能耗(表征能效)与工艺过程参数间的定量关系,提出了以能效最优化为目标的工艺过程参数优化策略.结果表明:激光功率的选取需要考虑熔覆效率与能耗之间的矛盾;激光扫描速度的合理提升,可在熔覆道尺寸减小的劣势下提高熔覆效率,缩短激光熔覆的工作时间,进而降低能耗;较大的铺粉厚度与扫描速度,以及较小的横向搭接率,并匹配合适的激光功率,可有效降低SLM系统的比能耗.选择高度较小的方向进行堆垛成形可缩短层间停隔时间,进而降低系统能耗.     

选区激光熔化工艺参数对Ti6Al4V粉末成型性的影响（英文）

以Ti6Al4V钛合金粉末为研究对象,在单层扫描和单道扫描实验的基础上,研究SLM工艺参数对Ti6Al4V合金材料成型性的影响,并进行了块体成型实验,通过设计正交试验及观察试样的形貌和致密度分析,最终得到Ti6Al4V合金粉末SLM块体成型的最佳工艺参数为:激光功率400W、搭接率1、扫描速度750mm/min,其致密度可以达到96.17%。     

粉末床激光熔化成形H13钢工艺优化及力学性能研究

通过实验方法优化得到了粉末床激光熔化成形H13钢的工艺参数,并研究了成形样件的微观组织和拉伸性能。通过实验得到了H13钢单道成形的优化工艺区间:激光功率225 ~ 325 W,扫描速度600 ~1200 mm/s,通过块体实验得到优化的工艺参数为:激光功率275 W,扫描速度900 mm/s,扫描间距0.08 mm。微观组织显示为柱状晶粒,晶粒的宽度约为3 ~ 5 μm,长度约为10 ~ 40 μm。在优化工艺参数下成形试样的室温抗拉强度高达1 761 MPa,延伸率为2.72%。     

选区激光熔化医用316L多孔结构的多目标工艺优化

为解决选区激光熔化技术成形医用多孔结构成形质量较差的问题,研究了工艺参数对316L成形样件致密度、孔隙率差值和表面粗糙度的影响,结合灰色关联分析方法建立了多元非线性预测模型。结果表明,预测模型的拟合度可达96.85%,最优工艺参数分别为激光功率250 W、扫描速度800 mm/s、扫描间距0.08 mm。优化后的灰色关联度达0.9195,得到样件的致密度为99.25%,孔隙率差值为0.60%,表面粗糙度均值为4.39 μm。致密度与激光功率正相关,随着致密度的增大,扫描速度和扫描间距呈现先增大再减小的趋势,孔隙率差值和表面粗糙度与激光功率、扫描速度、扫描间距均保持先减小再增大的趋势。结合激光体能量密度概念,揭示了工艺参数影响成形质量的原因,体能量密度为109.65～145.83 J/mm3时粉末的熔化状态最好。     

薄板激光切割气熔比数学建模及试验验证

为研究薄板激光切割气熔比规律,分析激光切割区域内材料气化和熔化去除的形式,研究熔化层能量和质量流动状态,建立薄板激光切割的气熔比数学模型,并得到气熔比值和残留熔融层厚度随激光功率和扫描速度的变化。借助激光切割半径的回归修正,模拟得到激光切割0.5 mm厚6063铝合金薄板时气熔比值及残留熔融层厚度。发现随激光功率增大和扫描速度的降低,气熔比增大,残留熔融层厚度减小。在JK701H型激光加工系统进行验证试验,得到并观察65 W、2.2 mm/s,85 W、2 mm/s和105 W、1.8 mm/s三种参数下的切口,计算试验气熔比值和残留熔融层厚度,表明模拟结果与试验基本吻合,验证模型的可行性,为基于气熔比控制的激光精密切割工艺提供重要依据。     

选区激光熔化温度场仿真及温度调控研究

在选区激光熔化(SLM)加工过程中，温度对工件的成形质量具有决定性的作用，而温度取决于加工工艺。因此，针对铜合金加工的温度问题，建立了铜合金温度场三维有限元仿真模型，研究了不同工艺参数对温度场温度的影响，为铜合金加工的工艺调控提供理论基础。基于温度场仿真模型，本文分别研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、粉末层厚对温度场的影响，研究表明：熔池的温度随着激光功率的增加而增加，随着扫描速度的增加而减小，扫描间距和扫描层厚对温度场的温度会有一定的影响，但是影响非常小。     

选区激光熔化成形W-Ni-Cu的成形工艺及热物理性能

为了研究W-Ni-Cu合金选区激光熔化技术(SLM)直接成形工艺及其热物理性能,设计了以激光功率、扫描速度、扫描线长度、搭接率为变量的工艺实验,研究各参数对致密度的影响,采用SEM、热分析仪、差式扫描量热仪、热-机械分析仪研究合金的微观组织、导热率与热膨胀系数。结果表明:选择合理的优化工艺参数,W-Ni-Cu(SLM)成形致密度最高达到94.5%;微观组织为难熔相W发生了桥接与团聚,基体相CuNi呈网络状包裹于W相周围;测试试样所加载热流平行于烧结成形方向时,导热系数与热膨胀系数分别是120.314 0W/(m·K)及7.16×10~(-6)/K,加载热流方向垂直于烧结成形方向时,导热系数与热膨胀系数分别是99.257 2W/(m·K)及7.02×10~(-6)/K。不同方向成形测试件导热系数和热膨胀系数的差异是由难熔相W在CuNi相中的分布以及孔隙数量决定的。采用选区激光熔化成形技术可以成形性能较好的W-Ni-Cu合金。     

TC4钛合金激光熔覆熔池凝固传热研究

基于有限元法对单道单层激光熔池的凝固过程进行数值模拟,得到熔覆过程中激光熔池的温度场分布及温度梯度分布等数据信息,结合测温实验,分析了激光熔池在凝固过程中的热行为,阐述了激光工艺参数对熔池凝固传热过程的影响。结果表明:在激光单道熔覆过程中,熔池前端热量集中、熔深较大,尾部热量传递迅速、熔深较小。温度梯度在熔池前端最大值变化范围是3.04～3.89×10~6℃/m~(-1)。激光功率对熔池热传递的影响效应大于扫描速度影响效应的规律。模拟和实验结果吻合。