多組元金屬粉末直接激光燒結過程數(shù)值模擬及燒結區(qū)域預測.pdf

1、多組元金屬粉末的直接選區(qū)激光燒結(DMLS，DirectMetalLaserSintering)是一種利用激光將多種金屬粉末混合材料直接燒結成型金屬零部件的快速原型制造技術，由于其能直接成型金屬零部件而成為快速制造的一個重要發(fā)展方向。與非金屬粉末燒結相比，DMLS更難成型、更易發(fā)生變形，受材料特性、溫度分布、溫度變化與應力影響較大，探索其影響規(guī)律成為當前DMLS研究的熱點之一。DMLS是一種熱能傳播主導的凈成型方式，熱量在粉床中的動態(tài)傳

2、播過程在粉末致密化成型過程中起了關鍵作用。DMLS的溫度場、密度場和熱應力場分布具有強瞬態(tài)、大梯度的特征，很難直接用實驗方法準確地測定粉床中瞬時溫度場、密度場、應力場分布規(guī)律，采用以試驗為基礎的方法確定其工藝參數(shù)又需耗費大量的人力、物力、財力，越來越多的研究人員致力于采用數(shù)值分析方法研究DMLS成型過程規(guī)律。利用數(shù)值模擬研究DMLS成型過程的動態(tài)溫度場、密度場、熱應力場的變化規(guī)律，可用于分析各種材料和工藝參數(shù)對溫度場、應力和應變場的作用

3、規(guī)律，預測給定參數(shù)下的燒結區(qū)域，以合理控制加工工藝，從而減少實驗次數(shù)、降低實驗成本、避免球化等現(xiàn)象的發(fā)生、提高燒結成型件性能，具有重要的理論意義和工程實用價值。 本文重點研究了粉床從粉體到近實體轉變過程中，不同區(qū)域導熱系數(shù)等材料性質的非線性動態(tài)變化規(guī)律；分析了DMLS過程的瞬態(tài)三維溫度場、密度場變化規(guī)律，以及應力場分布特征，并采用間接方法對溫度場模擬結果進行了驗證；采用有限元方法和神經網(wǎng)絡方法對燒結寬度、燒結深度進行了預測。論文

4、的主要研究內容和特色如下： 1、提出了金屬粉末導熱系數(shù)在粉體-實體連續(xù)轉化過程的動態(tài)非線性變化Ⅰ模型。粉體到近實體的轉化過程中導熱系數(shù)變化的影響不容忽略，例如Cu實體和粉體的導熱系數(shù)相差2個數(shù)量級。依據(jù)液相燒結原理建立了固相線與液相線之間的動態(tài)導熱系數(shù)模型。進一步根據(jù)分段處理思想建立了粉體-實體轉化過程的導熱系數(shù)模型。實現(xiàn)了由粉體到熔融狀態(tài)的連續(xù)變化導熱系數(shù)模型，更充分考慮了多組元混合金屬粉末中重要組成部分預合金金屬粉末的固相線

5、與液相線溫度范圍寬、過渡過程導熱系數(shù)變化大的影響，為建立準確的DMLS有限元模型奠定了基礎。 2、基于已建立的動態(tài)導熱系數(shù)模型，建立了DMLS溫度場及密度場三維有限元模型。通過加修正系數(shù)的方法考慮激光加熱沖擊效應對粉床表面散熱的影響作用；采用比熱容突變法處理DMLS燒結過程中固液相變潛熱；提出對不同粉床區(qū)域采用不同材料性質，即在液相區(qū)采用實體的物理性質，在固-液相過渡區(qū)和已燒結區(qū)采用已建立的動態(tài)導熱系數(shù)模型，其余區(qū)域采用粉體熱物

6、理性質；提出了一種針對DMLS過程的在不同載荷步間基于歷史溫度和粉床區(qū)域的轉換材料性質的方法。 3、在已建立的溫度場及密度場有限元模型的基礎上，針對Cu基多組元合金粉末進行了溫度場、密度場的有限元分析，探討了多種條件下材料特性、工藝參數(shù)與成型性能之間的關系，為DMLS燒結成型提供了進行參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)，主要結論包括：(1)采用在不同載荷步間基于歷史溫度和粉床區(qū)域的轉換材料性質的方法進行模擬，結果表明，熱影響區(qū)主要集中在已燒結區(qū)域，

7、已燒結區(qū)域與未燒結區(qū)域的分界處存在極大的溫度梯度，已燒結區(qū)域內部的溫度梯度小得多，與實驗結果相符合。(2)基板的使用降低了粉床的最高溫度、燒結寬度變小。由于基板導熱系數(shù)大、相當一部分熱量通過基板散失，因此為防止大量熱量通過基板散失，基板的導熱性能應選得適中，并對其進行預熱。(3)較短掃描線長有利于改善成型性能。采用較短掃描線長時，熱影響區(qū)域幾乎不存在熱量傳播不夠充分的“死角”，減小了掃描線較長時的熱影響突變區(qū)域的范圍；較短掃描線長的熱循

8、環(huán)周期也短，減少了能量起伏和溫度落差。(4)增大激光功率、減小掃描速度、減小掃描間距均能提高輸入到粉床的能量密度，改善因能量密度過小造成的成型件致密度較差等缺陷；材料導熱系數(shù)較大時，熱影響區(qū)域的溫度分布更均衡，減輕了導熱系數(shù)較小時的燒結區(qū)域底部溫度分布的臺階效應，利于提高成型質量；材料比熱容較大時，熱影響區(qū)域和燒結區(qū)域小，Ⅱ有利于提高成型精度。 4、采用熱彈塑性有限元法建立了DMLS過程熱應力場模型，并進行了數(shù)值分析。模型中考慮

9、了材料力學性能隨時間的變化和區(qū)域的不同，耦合策略采用了先進行溫度場、后進行熱應力場分析的間接耦合方式。模擬結果表明，在DMLS成型過程中，應力集中分布在激光束作用的很小區(qū)域內，在激光輻射區(qū)域的頂部區(qū)域主要受到壓應力作用，底部區(qū)域受到拉應力作用，對進一步認識DMLS成型過程的應力應變規(guī)律有較大的參考價值。 5、提出了用燒結深度和燒結寬度來間接驗證DMLS溫度場模型的方法。燒結實驗完成后，通過測量燒結件燒結深度和燒結寬度范圍來確定對

10、應激光熱源移去后實際溫度場高于材料液相線溫度的范圍，并與模擬結果相應溫度范圍比較，以間接驗證溫度場模型的正確性。采用Cu基多組元混和粉末材料進行了燒結實驗。9種條件下，試驗結果和預測結果比較表明：燒結深度的預測百分比誤差在-10.7％和20.0％之間，平均百分比誤差為7.8％；燒結寬度的預測百分比誤差在-8.2％和27.3％之間，平均百分比誤差為14.4％。模擬結果在一定程度上間接驗證了溫度場建模的正確性。此外，溫度場數(shù)值模擬結果還能預

11、測在材料參數(shù)、工藝參數(shù)和工藝方案條件下的燒結深度和燒結寬度，可用于進一步優(yōu)化DMLS材料參數(shù)、工藝參數(shù)和工藝方案。 6、基于人工神經網(wǎng)絡方法對燒結寬度、燒結深度進行了預測。建立了從工藝參數(shù)到燒結區(qū)域的BP網(wǎng)絡映射模型，網(wǎng)絡采用單隱層結構，隱層7節(jié)點、Sigmoid轉移函數(shù)。燒結深度的預測百分比誤差在-11.8％和19.6％之間，平均百分比誤差為8.3％；燒結寬度的預測百分比誤差在-18.5％和17.2％之間，平均百分比誤差為12