金屬粉末激光直接燒結溫度場的三維有限元模擬及實驗研究.pdf

1、金屬粉末激光直接燒結(Direct Metal Laser Sintering，DMLS)技術是選擇性激光燒結技術的一個重要分支，由于無需任何工模具、不受零件幾何形狀限制、材料利用率高、生產周期短等優(yōu)點極大地提高了生產柔性，日益成為先進制造技術的一個重要發(fā)展方向。 目前，球化效應和成形件翹曲變形是DMLS領域中急需解決的兩大問題，集中輸入的局部激光移動熱源勢必造成溫度場的分布不穩(wěn)定、不均衡，這樣的溫度場及其產生的熱應力是導致成形

2、件質量問題的根本原因。金屬零件能否順利成形及成形后的組織、性能的優(yōu)劣直接取決于成形工藝參數(shù)的選擇，因此要想正確選擇成形工藝參數(shù)，獲得形狀規(guī)整、組織致密和性能優(yōu)良的成形零件，就必須掌握DMLS工藝過程中溫度場隨時間的演變規(guī)律。本文主要針對DMLS溫度場有限元模擬及相關實驗從以下幾個方面進行了深入的研究： 1.分析國內外DMLS工藝及溫度場有限元模擬的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，指出影響成形件質量的關鍵問題以及目前溫度場有限元模擬的不足之處。

3、 2.將ANSYS的“單元生死”技術引入到DMLS溫度場的多層燒結模擬中，實現(xiàn)多層燒結材料的動態(tài)增長過程描述；同時還成功解決了激光熱源的移動和加載、材料非線性的處理、相變潛熱的處理、圓形光斑的處理等關鍵問題。 3.綜合考慮熱傳導、熱輻射、熱對流以及材料的高度非線性，基于ANSYS平臺建立了與DMLS實際工藝過程相一致的三維有限元模型，以Ni基合金粉末為燒結材料進行了溫度場模擬。分析了激光熔池的加熱冷卻規(guī)律、各燒結道之間及各

4、燒結層之間的相互影響規(guī)律，不同工藝參數(shù)對溫度場的影響規(guī)律等，在此基礎上選擇合適了工藝參數(shù)。 4.實驗以自熔性Ni基合金粉末為研究對象，以高功率激光器、JXA-840A電子探針分析儀、HVS-1000型顯微硬度計為主要研究手段，分析了激光功率和掃描速度這兩個最主要的工藝參數(shù)對金屬粉末燒結成形性及球化效應的影響，利用優(yōu)化的工藝參數(shù)成形了多層燒結件。最后測量了燒結深度、燒結寬度同時觀察了成形件微觀組織并與模擬結果進行了對比，結果表明模