Inconel718合金激光选区熔化温度场和流场的微观模拟与实验研究

论文摘要

激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为最具潜力的增材制造方法之一,拥有广阔的应用前景。Inconel 718合金在高温条件下具有良好的组织稳定性和综合力学性能,被广泛应用于航空航天、石油化工和医用材料等领域。目前,在对激光选区熔化过程的研究中,没有合适的仪器能够捕捉在激光与粉末相互作用区内发生的复杂物理、化学以及冶金现象。应用模拟仿真再现这一过程,实现工艺参数调整和优化对于增材制造领域的学术研究和行业应用具有重要的现实意义。本文以激光选区熔化成形Inconel 718镍基高温合金熔池内的微观现象为研究对象,应用有限元模拟软件COMSOL Multiphysics中的传热模块和层流模块,建立三维瞬态有限元模型,研究激光选区熔化过程中工艺参数对熔池温度场、流场、熔池尺寸和形貌产生的影响,并通过激光选区熔化实验验证模拟结果。在三维模型建立的过程中,综合考虑了激光与多孔粉床之间的相互作用、粉末材料物相转变产生的热物理性能变化、熔池表面张力梯度引起的Marangoni效应、粉末材料在激光能量作用下产生的熔化、蒸发和凝固等现象。研究结果表明:随着激光连续扫描以及热量的连续输入,熔池内部温度逐步升高,当熔池内温度高于沸点时,蒸发热流驱动熔融液体向激光前进的斜上方流动并在熔池前端形成涡流,此时流速最大的熔体位于熔池中心,之后部分热量随蒸发热流向周围散失,熔池的峰值温度发生小幅度下降。随着熔池内温度降低,蒸发量随即减小,熔体流速的减小降低了熔池的散热,熔池内的热量再次增加,温度再次升高。当温度冷却到熔点与沸点之间时,Marangoni对流效应将取代蒸发,在发生熔体流动的熔池尾部过渡区域中占主导地位。通过上述过程的循环往复和粉末床内热量的累积,最终导致熔池的峰值温度呈波动上升趋势,并于第三道扫描轨迹后趋于稳定。在熔池形成的过程中,增加激光功率(由150W增至230W)或降低扫描速度(由1600mm/s降至800mm/s)均可增加单位时间内的能量密度输入、提高熔池温度,进而增大蒸发量和Marangoni对流,进而加快熔池内的熔体流动,最终提升熔池内传热和传质效率。过高的激光功率(高于210W)或过低的扫描速度(低于1000mm/s)会使熔池内的温度过高,产生过热、沸腾和蒸发现象,在蒸发热流的作用下,熔池内涡流增大,熔融金属产生飞溅和剥蚀等缺陷,恶化成形件的表面质量。当激光搭接率为20%时,成形件的冶金结合良好,成形质量较高;激光搭接率过高(高于40%)会使熔池内形成塌陷、孔隙和表面轨迹的尖角;激光搭接率过低(低于20%)会使扫描轨迹间有明显的沟壑。在激光功率、扫描速度以及搭接率等成形参数不变的情况下,随着粉末层厚度的增加(从20μm增至60μm),熔池深度增加较快,熔池深宽比提高;当粉层厚度过高时(高于50μm),熔池深度不足以使粉层与基板间形成良好的冶金结合。通过对比模拟研究和实验研究的试样熔池尺寸、形貌可知,虽然实际加工试样由于表面张力效应导致熔池表面为曲面形态,但实验结果与模拟结果具有较高的吻合度,模拟结果能够大致呈现出熔池的尺寸形貌随着工艺参数变化的趋势。上述激光选区熔化成形Inconel 718合金过程中熔池内传热和传质等微观现象的研究,为深入理解激光选区熔化过程发生的现象、控制这一制造过程以及探索激光选区熔化成形Inconel 718合金材料工艺参数奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 激光选区熔化技术（Selective Laser Melting,SLM）
•     1.2.1 技术原理
•     1.2.2 技术特点与应用
•   1.3 Inconel718 合金
•     1.3.1 性质与特征
•     1.3.2 Inconel718 合金的激光选区熔化成形
•   1.4 国内外研究现状
•   1.5 研究内容
• 第2章 有限元建模与分析过程
•   2.1 假设
•   2.2 物理模型开发
•   2.3 控制方程
•   2.4 移动热源模型的加载
•   2.5 初始条件和边界条件
•     2.5.1 初始条件
•     2.5.2 边界条件
•   2.6 热物性参数
•   2.7 材料的相变
•   2.8 数值模拟
•   2.9 本章小结
• 第3章 Inconel718 合金激光选区熔化过程的实验校核
•   3.1 实验条件
•     3.1.1 激光选区熔化成形设备
•     3.1.2 粉末材料
•     3.1.3 基板材料
•   3.2 实验方法
•   3.3 显微组织分析方法
•     3.3.1 光学显微镜（OM）分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 激光选区熔化熔池温度场模拟和工艺参数研究
•   4.1 Marangoni效应对激光选区熔化加工过程的影响
•   4.2 熔池温度分布和熔池形貌特征
•   4.3 工艺参数对熔池热行为和尺寸形貌的影响
•     4.3.1 激光功率对熔池热行为及尺寸形貌的影响
•     4.3.2 扫描速度对熔池热行为和尺寸形貌的影响
•     4.3.3 搭接率对熔池热行为和尺寸形貌的影响
•     4.3.4 粉层厚度对熔池热行为和尺寸形貌的影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 激光选区熔化过程流场模拟和成形机理分析
•   5.1 蒸发对激光选区熔化加工过程的影响
•   5.2 熔池内熔体流动和缺陷形成机理
•     5.2.1 熔池相场和温度场分析
•     5.2.2 熔池流场分析
•   5.3 蒸发对熔池温度场和流场的影响
•     5.3.1 不同激光功率下蒸发的影响
•     5.3.2 不同扫描速度下蒸发的影响
•   5.4 蒸发对熔池尺寸和形貌的影响
•     5.4.1 蒸发对熔池尺寸的影响
•     5.4.2 蒸发对熔池形貌的影响
•   5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文和科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张镨丹

导师: 张冬云

关键词: 增材制造,激光选区熔化,合金,数值模拟,工艺参数

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,金属学及金属工艺,金属学及金属工艺,无线电电子学

单位: 北京工业大学

分类号: TG132.3;TG665;TN249

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000706

总页数: 86

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