基于选区激光熔化铜合金温度场的粉末层厚调控研究

孔 帅,郭越阳,刘来瑞,李亚琦,马士平

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北 邯郸 056000)

0 引言

增材制造(AM)技术是一种新的快速成形和制造技术,在数学模型的指导下,能够通过有选择性的熔化粉末来构建3D复杂零件[1-3]。选择性激光熔化(SLM)工艺是生产3D复杂零部件的最常见的AM方法之一。和传统的制造技术相比,SLM具有生产周期短、材料利用率高、无需刀具或磨具等优势。因此,它被应用于航空航天、汽舶、生物医学等各个领域[4-6]。通常,在选区激光熔化过程中,粉末层厚度是一个重要的工艺调控参数。Kamath等人对选择性激光熔化316L不锈钢形成过程进行了研究,研究表明:低层厚度(30 μm)工艺下,相对密度可以达到99.81%[7]。Ma等人将Cr18Ni9Ti粉层的层厚度从60 μm增加到150 μm,发现块状样品的相对密度可以达到99.3%～99.8%的范围,并且建筑率可以提高10倍以上[8]。迄今为止,当前对于粉末层厚的研究大都是通过实验分析。随着计算机技术的发展,数值仿真已经成为一种方便有效的方法来研究SLM加工。英国利兹大学的Childs等人[9]进行了不锈钢和工具钢材料的SLM成形仿真与试验,并探究了当激光束熔融金属粉末为液态熔池时相应的温度场随时间变化的规律,结果表明:其仿真得到的温度场结果与实际监测的温度变化趋势基本一致。瑞士伯尔尼大学的Fischer等人[10]采用了热源监测与仿真分析的方法,对比了脉冲激光光源与连续激光光源对钛合金粉末成形过程中的温度分布规律,研究结果显示,脉冲式激光光源的熔池最高温度与平均温度均高于连续式激光光源。因此,本文基于SLM有限元模型,分析了不同粉末层厚对温度场的影响,为粉末层厚调控提供理论基础。

1 温度场仿真

本文基于有限元理论使用ANSYS软件对SLM过程中的温度场进行仿真模拟,建立了选区激光熔化铜合金温度场有限元模型。

本文所建立的有限元模型分为粉末层和基板,为了便于计算,对模型进行了简化,如图1所示。粉末层的长度为1.2 mm,宽度为0.6 mm,厚度为0.02～0.04 mm,基板的尺寸为2.4 mm×1.4 mm×0.2 mm。基板的网格大小为0.1 mm×0.1 mm×0.1 mm,为了提高模型计算精度,对粉末层网格划分应更为精细,网格大小为0.01 mm×0.01 mm×0.006 mm。该模型一共被划分成23165个单元,并且粉末层和基板都是使用solid70 3-D实体热单元。

图1 温度场有限元模型

为了研究不同层厚对温度场的影响,保持激光功率和扫描速度不变,改变粉末层厚参数。激光功率和扫描速度分别为300 W和1 m/s,粉末层厚为20～40 μm,具体参数如表1所示。本文仿真采用的铜合金材料为Cusn10粉末,其化学成分如表2所示。

表1 不同粉末层厚下的工艺参数组合

表2 Cusn10粉末合金成分(Wt%)

2 不同粉末层厚对温度场的影响

粉末层厚是影响SLM加工的重要参数之一[11],为了研究粉末层厚度对成型质量的影响机理,本文基于温度场有限元模型,分析了不同粉末层厚对温度场温度和熔池的影响。

2.1 粉末层厚对温度场温度的影响

图2为不同粉末层厚下的温度随时间变化的曲线图,从图中可以看出,三条曲线基本重合,并且随着粉末层厚的增加,温度略有升高,粉末层为20 μm、30 μm、40 μm时的最大温度分别为2425.81 ℃、2511.98 ℃、2576.62 ℃。这可能主要是因为铜合金传热性能好,粉末层厚越小越容易导致热量扩散到基板上,从而使温度降低。通过温度对比分析,可以认为在一定范围内粉末层厚虽然对温度有影响,但是影响并不大,相对于激光功率和扫描速度[11]对于温度场温度大小的影响,粉末层厚的影响可以忽略。

图2 不同粉末层厚下温度随时间变化图

2.2 粉末层厚对温度场熔池结构的影响

图3为不同粉末层厚下熔池分布云图对比,其中图3(a)、图3(b)和图3(c)分别是粉末层厚为20 μm、30 μm和40 μm时的熔池云图,从图中可以看出:粉末层厚为20 μm、30 μm和40 μm时熔池云图基本相同,这表明在一定范围内粉末层厚对温度场熔池的影响不大。

图3 不同粉末层厚下熔池云图对比

温度场的成型过程是逐层铺粉,为了可以使每个熔化层之间有效结合,需要对粉末层厚进行合理调控。图4为粉末层厚与熔池深度的关系图,当粉末层厚太小时,熔池深度远远大于粉末层厚,这样会降低成形效率;但是当熔池深度远远小于粉末层厚时又会导致粉末不能完全熔化,从而降低工件成形质量,只有当熔池深度略大于粉末层厚度时成形质量最为合适。

图4 粉末层厚与熔池深度的关系

图5为不同粉末层厚下熔池切片对比图,通过对比图可以看出,图5(a)、图5(b)和图5(c)对应的粉末层厚不同,分别为20 μm、30 μm和40 μm。当粉末层厚为20 μm时,熔池深度要远远大于粉末层厚,这虽然不会降低工件的成形质量,但是这不利于工件的成形效率;当粉末层厚为30 μm时,熔池深度略大于粉末层厚,此时熔池与熔池之间的搭接可以很好地结合,粉末层厚刚好合适;当粉末层厚为40 μm时,粉末层厚远远大于熔池深度,此时粉末层粉末不能完全熔化,这将不利于粉末层与粉末层之间的结合,影响工件质量和精度。因此,在选区激光加工过程中,粉末层厚需要控制在合理的范围内,既不能过大也不能过小,要略微大于熔池的深度。

图5 不同粉末层厚下熔池云图切片对比

为了进一步定量分析不同粉末层厚下的熔池尺寸,对20 μm、30 μm和40 μm下的熔池长度、宽度和深度进行了测量。如图6所示:当粉末层厚为20 μm时,熔池的长度、宽度和深度分别为135 μm、117 μm和35 μm;当粉末层厚为40 μm时,熔池的长度、宽度和深度分别为143 μm、120 μm和36 μm。通过对比发现,随着扫描层厚的增加,熔池的长度、宽度和深度都略有增加,其中对熔池长度的影响相对于熔池宽度和深度更为明显。

图6 不同粉末层厚下熔池尺寸

3 结论

1)本文基于SLM温度场有限元模型,通过改变粉末层厚(其他工艺参数不变),预测了不同粉末层厚下温度场的温度变化规律和熔池结构,分析了不同粉末层厚对温度场的影响,粉末层厚对温度场温度的影响较小;粉末层厚对熔池大小的影响为:随着扫描层厚的增加,熔池的长度、宽度和深度都略有增加,其中对熔池长度的影响相对于熔池宽度和深度更为明显。

2)粉末层厚虽然对温度场温度的影响较小,但它是影响成型质量的重要参数,通过调整粉末层厚的大小可以使粉末层与层之间实现良好搭接,实现高效成型。本文仅从粉末层厚的角度分析了对温度场的影响,除了粉末层厚外,激光功率、扫描速度、扫描间距等都是影响成型质量的重要工艺。