多組元金屬粉末直接激光燒結(jié)過(guò)程數(shù)值模擬及燒結(jié)區(qū)域預(yù)測(cè).pdf

1、多組元金屬粉末的直接選區(qū)激光燒結(jié)(DMLS，DirectMetalLaserSintering)是一種利用激光將多種金屬粉末混合材料直接燒結(jié)成型金屬零部件的快速原型制造技術(shù)，由于其能直接成型金屬零部件而成為快速制造的一個(gè)重要發(fā)展方向。與非金屬粉末燒結(jié)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(yīng)力影響較大，探索其影響規(guī)律成為當(dāng)前DMLS研究的熱點(diǎn)之一。DMLS是一種熱能傳播主導(dǎo)的凈成型方式，熱量在粉床中的動(dòng)態(tài)傳

2、播過(guò)程在粉末致密化成型過(guò)程中起了關(guān)鍵作用。DMLS的溫度場(chǎng)、密度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分布具有強(qiáng)瞬態(tài)、大梯度的特征，很難直接用實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確地測(cè)定粉床中瞬時(shí)溫度場(chǎng)、密度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，采用以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的方法確定其工藝參數(shù)又需耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，越來(lái)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(guò)程規(guī)律。利用數(shù)值模擬研究DMLS成型過(guò)程的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)、密度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，可用于分析各種材料和工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)、應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的作用

3、規(guī)律，預(yù)測(cè)給定參數(shù)下的燒結(jié)區(qū)域，以合理控制加工工藝，從而減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)、降低實(shí)驗(yàn)成本、避免球化等現(xiàn)象的發(fā)生、提高燒結(jié)成型件性能，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。 本文重點(diǎn)研究了粉床從粉體到近實(shí)體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，不同區(qū)域?qū)嵯禂?shù)等材料性質(zhì)的非線性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；分析了DMLS過(guò)程的瞬態(tài)三維溫度場(chǎng)、密度場(chǎng)變化規(guī)律，以及應(yīng)力場(chǎng)分布特征，并采用間接方法對(duì)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證；采用有限元方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)燒結(jié)寬度、燒結(jié)深度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。論文

4、的主要研究?jī)?nèi)容和特色如下： 1、提出了金屬粉末導(dǎo)熱系數(shù)在粉體-實(shí)體連續(xù)轉(zhuǎn)化過(guò)程的動(dòng)態(tài)非線性變化Ⅰ模型。粉體到近實(shí)體的轉(zhuǎn)化過(guò)程中導(dǎo)熱系數(shù)變化的影響不容忽略，例如Cu實(shí)體和粉體的導(dǎo)熱系數(shù)相差2個(gè)數(shù)量級(jí)。依據(jù)液相燒結(jié)原理建立了固相線與液相線之間的動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)模型。進(jìn)一步根據(jù)分段處理思想建立了粉體-實(shí)體轉(zhuǎn)化過(guò)程的導(dǎo)熱系數(shù)模型。實(shí)現(xiàn)了由粉體到熔融狀態(tài)的連續(xù)變化導(dǎo)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(yù)合金金屬粉末的固相線

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

6、理性質(zhì)；提出了一種針對(duì)DMLS過(guò)程的在不同載荷步間基于歷史溫度和粉床區(qū)域的轉(zhuǎn)換材料性質(zhì)的方法。 3、在已建立的溫度場(chǎng)及密度場(chǎng)有限元模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)Cu基多組元合金粉末進(jìn)行了溫度場(chǎng)、密度場(chǎng)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(guān)系，為DMLS燒結(jié)成型提供了進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)，主要結(jié)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(zhuǎn)換材料性質(zhì)的方法進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，熱影響區(qū)主要集中在已燒結(jié)區(qū)域，

7、已燒結(jié)區(qū)域與未燒結(jié)區(qū)域的分界處存在極大的溫度梯度，已燒結(jié)區(qū)域內(nèi)部的溫度梯度小得多，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。(2)基板的使用降低了粉床的最高溫度、燒結(jié)寬度變小。由于基板導(dǎo)熱系數(shù)大、相當(dāng)一部分熱量通過(guò)基板散失，因此為防止大量熱量通過(guò)基板散失，基板的導(dǎo)熱性能應(yīng)選得適中，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱。(3)較短掃描線長(zhǎng)有利于改善成型性能。采用較短掃描線長(zhǎng)時(shí)，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(zhǎng)時(shí)的熱影響突變區(qū)域的范圍；較短掃描線長(zhǎng)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(guò)小造成的成型件致密度較差等缺陷；材料導(dǎo)熱系數(shù)較大時(shí)，熱影響區(qū)域的溫度分布更均衡，減輕了導(dǎo)熱系數(shù)較小時(shí)的燒結(jié)區(qū)域底部溫度分布的臺(tái)階效應(yīng)，利于提高成型質(zhì)量；材料比熱容較大時(shí)，熱影響區(qū)域和燒結(jié)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(guò)程熱應(yīng)力場(chǎng)模型，并進(jìn)行了數(shù)值分析。模型中考慮

9、了材料力學(xué)性能隨時(shí)間的變化和區(qū)域的不同，耦合策略采用了先進(jìn)行溫度場(chǎng)、后進(jìn)行熱應(yīng)力場(chǎng)分析的間接耦合方式。模擬結(jié)果表明，在DMLS成型過(guò)程中，應(yīng)力集中分布在激光束作用的很小區(qū)域內(nèi)，在激光輻射區(qū)域的頂部區(qū)域主要受到壓應(yīng)力作用，底部區(qū)域受到拉應(yīng)力作用，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)DMLS成型過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律有較大的參考價(jià)值。 5、提出了用燒結(jié)深度和燒結(jié)寬度來(lái)間接驗(yàn)證DMLS溫度場(chǎng)模型的方法。燒結(jié)實(shí)驗(yàn)完成后，通過(guò)測(cè)量燒結(jié)件燒結(jié)深度和燒結(jié)寬度范圍來(lái)確定對(duì)

10、應(yīng)激光熱源移去后實(shí)際溫度場(chǎng)高于材料液相線溫度的范圍，并與模擬結(jié)果相應(yīng)溫度范圍比較，以間接驗(yàn)證溫度場(chǎng)模型的正確性。采用Cu基多組元混和粉末材料進(jìn)行了燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。9種條件下，試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果比較表明：燒結(jié)深度的預(yù)測(cè)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(jié)寬度的預(yù)測(cè)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(jié)果在一定程度上間接驗(yàn)證了溫度場(chǎng)建模的正確性。此外，溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果還能預(yù)

11、測(cè)在材料參數(shù)、工藝參數(shù)和工藝方案條件下的燒結(jié)深度和燒結(jié)寬度，可用于進(jìn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)燒結(jié)寬度、燒結(jié)深度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。建立了從工藝參數(shù)到燒結(jié)區(qū)域的BP網(wǎng)絡(luò)映射模型，網(wǎng)絡(luò)采用單隱層結(jié)構(gòu)，隱層7節(jié)點(diǎn)、Sigmoid轉(zhuǎn)移函數(shù)。燒結(jié)深度的預(yù)測(cè)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(jié)寬度的預(yù)測(cè)百分比誤差在-18.5％和17.2％之間，平均百分比誤差為12