宋德華 吉康 吳丙哲 白倩

摘要：選區(qū)激光熔化在成形過程中由于快速熔化和凝固產(chǎn)生的熱應(yīng)力及固態(tài)相變效應(yīng)等導(dǎo)致的熱變形甚至開裂對零件性能影響巨大。通過對典型零件支撐添加來減少零件變形對選區(qū)激光熔化技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。以螺旋槳構(gòu)件為典型零件，建立了選區(qū)激光熔化過程有限元模型，預(yù)測了零件成形過程中的殘余應(yīng)力和變形;根據(jù)仿真計算結(jié)果確定易變形區(qū)域，研究了錐狀支撐對典型零件變形的影響，通過“仿真計算一支撐添加一再次仿真計算”的方式確定了零件選區(qū)激光熔化支撐添加合理性，有限元結(jié)果表明：合理添加錐狀支撐將螺旋槳傾斜度最大葉片變形有效地降低71.4%;并通過SLM實驗驗證了有限元仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：選區(qū)激光熔化;有限元分析;殘余應(yīng)力;支撐結(jié)構(gòu)添加

中圖分類號：TN24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022）02-0063-03

0 引言

選區(qū)激光熔化技術(shù)（ Selective Laser Melting，SLM）作為增材制造技術(shù)中的重要分支[1]，較激光近凈成形技術(shù)而言，具有高性能和復(fù)雜零件成形的優(yōu)勢[2]。然而，SLM過程中金屬粉末快速熔化與凝固會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件的翹曲等變形，阻礙了SLM工藝的進(jìn)一步應(yīng)用。而SLM制造復(fù)雜零件時，變形等缺陷[3]常產(chǎn)生于具有如懸垂、薄壁[4-5]和具有特殊幾何特征處，需要在零件局部區(qū)域添加支撐結(jié)構(gòu)作為輔助手段，從而保證成形過程順利進(jìn)行，避免因零件變形而造成卡刀從而導(dǎo)致零件成形失敗。支撐結(jié)構(gòu)在SLM過程中有重要作用，通常采用點狀支撐、網(wǎng)狀支撐等[6]，可銜接成形區(qū)域和未成形區(qū)域，起到強(qiáng)化過渡作用[13]，保證成形件的受力平衡，防止成形件孤立區(qū)域由于自身重力而坍塌。因此，添加復(fù)雜零件的支撐結(jié)構(gòu)對保證零件的使用性能具有重要作用。曹冉冉等人[7]提出曲面傾斜角α決定是否添加支撐結(jié)構(gòu)，同時提出幾個相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)用來計算傾斜角度。Wang[8]等人通過研究掃描速度、傾斜角度等因素來提高懸垂結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量，研究發(fā)現(xiàn)：掃描速度與傾斜角度越小，懸垂結(jié)構(gòu)表面越易翹曲，且隨激光功率增加而翹曲程度增大。華南理工大學(xué)盧建斌[9]利用SLM技術(shù)成形了激光熔覆噴嘴，利用支撐的方式解決了懸垂結(jié)構(gòu)的易變形問題。

SLM過程中，熱應(yīng)力的分布及大小取決于零件幾何形狀[10】、材料特性（如熱膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服強(qiáng)度等）[11]、掃描策略[12]以及粉末層厚度[13]。金屬粉末在激光加熱的作用下，會迅速熔化光斑內(nèi)的粉末層，使凝固相發(fā)生熱膨脹。當(dāng)激光光斑移動加熱時，已加熱熔化的區(qū)域開始冷卻和收縮。同時，這種收縮受到金屬材料自身的約束，在已熔化區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。大多數(shù)已加熱熔化粉末與周圍的粉末將經(jīng)歷一個二次熔化和二次凝固的循環(huán)。該循環(huán)逐層沉積時，壓應(yīng)力持續(xù)積累與零件內(nèi)部，逐漸壓應(yīng)力與表面的拉應(yīng)力會達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

因此，本文以螺旋槳構(gòu)件為典型零件，建立了選區(qū)激光熔化過程有限元模型，預(yù)測了零件成形過程中的殘余應(yīng)力和變形。基于螺旋槳原始有限元模型仿真結(jié)果，對螺旋槳構(gòu)件進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)添加以減小變形，并通過SLM試驗驗證有限元仿真結(jié)果。

1 SLM實驗

本文中SLM成形實驗采用流動性較好的馬氏體不銹鋼粉末（ lCr12Ni3M02C02VN、6511），通過激光粒度儀Malvern Mastersizer 2000、超高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡JSM-7900F獲得馬氏體不銹鋼粉末的粒徑分布與微觀形貌，如圖1所示。粉末粒徑大小主要集中在10-100 μm之間，平均粒徑為35μm。6511化學(xué)成分如表1所示。SLM成形實驗中采用“島狀”激光掃描策略，如圖2所示;在SLM成形過程中該激光掃描策略可有助于減小零件的殘余應(yīng)力與變形[14]，相鄰兩層之間的掃描角度為90。，為避免SLM成形過程中零件被氧化，保證成形過程中的氧含量低于1.0%

本工作中所使用的實驗儀器為日本沙迪克公司的增減復(fù)合制造機(jī)床Sodick OPM250L，如圖3所示。SLM成形過程中，需要持續(xù)地向成形腔內(nèi)充入惰性氣體，以防止燒結(jié)過程中試樣被氧化。增材過程采用651 1粉末成形螺旋槳構(gòu)件，6511粉末的SLM基礎(chǔ)成形實驗工藝參數(shù)如表2所示。

2 典型零件SLM有限元模型建立

本論文以螺旋槳構(gòu)件為典型零件，螺旋槳的葉片分別為0°、9°、22°、36°四個不同的傾斜角度，分析傾斜角度對零件變形的影響。螺旋槳三維模型如圖4所示。采用有限元軟件MSC. Marc/mentat，以四面體網(wǎng)格劃分螺旋槳構(gòu)件來建立螺旋槳宏觀尺度有限元模型，四面體網(wǎng)格尺寸為Imm（高）X0.5 mm（寬）X0.5 mm。實驗前設(shè)置粉末與基板的初始溫度為25。，且螺旋槳與基板均為6511馬氏體不銹鋼材料制成。

該有限元模型的溫度場熱傳導(dǎo)基本方程如式（1）所示[15]：

式中：參數(shù)T和t分別為溫度和時間;p、k和c分別代表密度、熱導(dǎo)率和比熱;Qv為體積熱源。

粉末的熱導(dǎo)率影響了成形過程中從熔池到粉末床再

6511馬氏體不銹鋼在降溫凝固過程中會發(fā)生馬氏體相變，而該固態(tài)相變會顯著影響成形零件的應(yīng)力狀態(tài)。因此，本文基于文獻(xiàn)[17]中的6511馬氏體不銹鋼相變模型，在SLM有限元模型中考慮了固態(tài)相變中的材料屬性轉(zhuǎn)變、相變體積效應(yīng)以及相變誘導(dǎo)塑性等的影響，實現(xiàn)SLM成形復(fù)雜零件的殘余應(yīng)力和變形預(yù)測。

3 支撐結(jié)構(gòu)添加

螺旋槳典型零件的支撐結(jié)構(gòu)添加是基于對無支撐添加的螺旋槳的有限元計算結(jié)果，仿真結(jié)果如圖5所示，根據(jù)有限元仿真云圖判斷在SLM成形過程中易變形危險區(qū)域，原始模型中變形最大的區(qū)域在傾斜角度為36。的葉片上，即圓圈B處，變形幅值為0.21 mm;葉片隨傾斜角度增大而變形程度增加，是因為傾斜角度越大的葉片，懸垂結(jié)構(gòu)特征越明顯，懸垂結(jié)構(gòu)不利于SLM成形過程中的熱量傳遞，熱量累積在葉片區(qū)域從而導(dǎo)致較大的變形。

因此根據(jù)有限元分析結(jié)果在傾斜角度為360的葉片上添加錐狀支撐結(jié)構(gòu)，其作用是輔助成形葉片過程中的熱量傳遞，防止熱量積累。錐狀支撐底部直徑為1.6 mm，如圖6所示。基于添加了支撐結(jié)構(gòu)的零件SLM模型開展有限元計算，分析支撐結(jié)構(gòu)對零件變形的影響。

4 結(jié)果討論

圖7所示為螺旋槳構(gòu)件的支撐結(jié)構(gòu)添加流程和有限元計算云圖。如圖7 （b）、（c）所示，對比有無支撐添加支撐結(jié)構(gòu)的典型零件有限元計算云圖，仿真結(jié)果顯示，螺旋槳葉片整體變形幅值均有下降，尤其傾斜角度為36。的螺旋槳葉片變形值下降最為顯著，即易變形危險區(qū)域變形幅值從0.21 mm降至0.06 mm，下降程度在70%以上，這是由于支撐的添加有利于成形過程中的熱傳遞，減小了SLM過程中的熱量累積，從而減少了熱應(yīng)力及固態(tài)相變導(dǎo)致的變形。根據(jù)有限元計算結(jié)果，采用生死單元技術(shù)去除支撐結(jié)構(gòu)，去除支撐后葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力自平衡，零件變形幅值也隨之變化。從圖7 （e）去除支撐后仿真結(jié)果可以看出，零件的最大變形值為0.12 mm，小于不添加支撐情況下的變形值。根據(jù)有限元仿真結(jié)果確定支撐結(jié)構(gòu)及位置，在Sodick OPM250L機(jī)床上成形添加了支撐結(jié)構(gòu)的典型零件，如圖7 （f）所示，結(jié)果表明，在傾斜度36。的葉片上采用錐狀支撐結(jié)構(gòu)可以減小由于薄壁及大傾斜角度帶來的變形問題，使得成形順利完成。

5 結(jié)束語

本文利用有限元軟件MSC. Marc/mental建立了典型零件的選區(qū)激光熔化有限元模型，研究了無支撐條件下螺旋槳構(gòu)件SLM過程中由熱應(yīng)力與固態(tài)相變效應(yīng)引起的變形，根據(jù)有限元仿真結(jié)果獲得葉片變形危險區(qū)域，即明確支撐添加區(qū)域;再基于有限元仿真計算結(jié)果添加錐狀支撐結(jié)構(gòu)并得到SLM實驗驗證。結(jié)果表明，有限元仿真計算與添加合理形狀及位置的支撐結(jié)構(gòu)二者相結(jié)合，可達(dá)到預(yù)測SLM成形過程中殘余應(yīng)力與變形，以及顯著減小SLM成形中典型零件熱應(yīng)力及固態(tài)相變效應(yīng)導(dǎo)致的變形。

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