铁粉激光直接成形温度场数值模拟.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 1 3 年1 2 月 矿冶 工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 3 №6 D e c e m b e r2 0 1 3 铁粉激光直接成形温度场数值模拟① 苏正夫 湖南稀土金属材料研究院，湖南长沙4 1 0 1 2 6 摘要建立了激光直接成形三维温度场有限元模型，该模型考虑到了材料热物性参数随温度变化以及相变潜热。采用A N S Y S 有 限元软件对铁粉的激光直接成形过程的三维瞬态温度场进行了数值模拟。模拟结果表明热影响区的等温线形状呈现前密后疏； 由于热积累效应，第二层的温度值要高于与第一层相同位置的温度值；随着激光功率增大，热流密度不断增加，熔池的温度越来越 高，熔池尺寸也越来越大，导致液相存在时间过长从而加剧球化现象。 关键词激光直接成形；铁粉；温度场；数值模拟 中图分类号0 5 5 1文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 6 ．0 2 8 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 6 - 0 1 0 3 - 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fT e m p e r a t u r eF i e l df o rL a s e rD i r e c tF o r m i n g o fI r o nP o w d e r S UZ h e n g - f u H u n a nR a r e ．E a r t hM e t a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，C h a n g s h a4 1 0 1 2 6 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t At h r e e ．d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e df o rt e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n gl a s e rd i r e c tf o r m i n g L D F ，w i t ht h ev a r i a t i o no ft h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e s o fm a t e r i a l sw i t ht e m p e r a t u r ea n dt h el a t e n th e a to fp h r a s e t r a n s f o r m a t i o nt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ．B yu s i n gA N S Y Ss o f t w a r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f3 Dt r a n s i e n ts t a t eo f t e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n gL D Fw a so b t a i n e d ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei s o t h e r mo fh e a ta f f e c t e dz o n e H A z p r e s e n t st ob ed e n s e ri nf r o n te n do fm o l t e np o o lt h a nt h eb a c ke n d ．T h et e m p e r a t u r eo ft h es e c o n dl a y e ri sm u c hh i g h e r t h a nt h ef i r s tl a y e rd u et oc u m u l a t i v ee f f e c to fh e a t ．W i t ha ni n c r e a s ei nl a s e rp o w e r ，w h i c hl e a d st oar i s ei nt h ed e n s i t y o fh e a tf l o wr a t e ，t h em o l t e np o o lb e c o m e si n c r e a s i n g l yh i g h e ri nt e m p e r a t u r ea n db i g g e ri ns i z e ．T h er e s u l to fl o n g e r t i m e i nl i q u i dp h a s ea g g r a v a t e db a i l i n gp h e n o m e n o n ． K e yw o r d s l a s e rd i r e c tf o r m i n g ；i r o np o w d e r ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 激光直接成形 L a s e rd i r e c tf o r m i n g ，L D F ，又称 选区激光熔化是近年来发展起来的一种用小功率激光 一般采用1 0 0W 以上的光纤激光器 直接成型制造 复杂精细金属零部件的新型快速成型技术，可无模直 接成型致密度1 0 0 ％、相对尺寸精度为千分之一的各 种复杂结构的金属零部件，无需复杂后处理⋯。但 L D F 成形过程是一个复杂的物理化学冶金过程，快速 熔化与快速凝固时存在较大的温度梯度，产生较大的 热应力，熔化的金属表面张力很高，容易产生球化和翘 曲变形【2 ] 。这两个问题已经成为普遍性的国际性难 题，因此，对激光直接成形过程温度场进行数值模拟，分 析成形工艺参数对温度场的影响规律，对选择合适的工 艺参数，提高L D F 制件的质量具有重要的现实意义。 国内外对于金属粉末激光快速成形温度场模拟方 面报道很多，但主要集中在选区激光烧结 S e l e c t i v e L a s e rS i n t e r i n g ，S L S 方面一1 ，而且大多数是单层的二 维、三维温度场模拟，或没有考虑粉末热物性参数随温 度的变化H 1 ；而基于粉末热物性参数随温度变化的 L D F 多层成形过程的三维温度场模拟相对报道较少。 为此本文考虑了材料热物性参数随温度变化和相变等 非线性情况，基于A N S Y S 环境建立了L D F 三维温度 场有限元模型。激光热源近似为高斯分布，并利用 A Y S Y S 参数化语言 A P D L 实现了激光高斯热源的移 动加载，研究铁粉在不同激光直接成形功率、层数下激 光直接成形铁粉的温度场。 1 L D F 模型的建立 L D F 三维有限元模型如图1 所示。模型由下层的 基板和上层的粉末组成。基板尺寸为3m m x1 ．8m m X 0 ．4m m ，粉末的尺寸为2 ．2m m 1 ．2m m x 0 ．2m m 。为 ①收稿日期2 0 1 3 0 6 2 1 作者简介苏正夫 1 9 6 7 一 ，男，湖南冷水江人，高级工程师，主要从事金属材料成型研究。 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 获得精确计算，粉末部分划分为较小的单元网格，为 0 ．1m m x O ．1 。m m x 0 ．1m m ，采用S o l i d 7 0 热单元；基板与 粉末直接接触的上部分采用S o l i d 7 0 热单元划分为自 由网格，考虑到过多的网格引起计算时间过长，基板下 部分采用S o l i d 9 0 热单元划分为较大的网格。 图1L D F 三维模型 2 边界条件的确定∞J 金属粉末在激光辐照下吸收热量，温度迅速升高。 当粉末温度达到熔点时开始熔化并形成溶池，但熔池 尺寸很小且存在时间极短 一般为0 ．5 2 5m s 。考虑 熔池内部与周围空气和粉床存在热交换，该过程可用 经典F o u r i e r 热传导方程来描述 A 。 等 雾 窘 圯乜 p C 塑O t ㈩A e 【石 孑 iJ g c ％2 一 1 ’ 式中A 。为粉末有效的导热系数；T 为温度；t 为时间；p 为粉末压实密度；C 为材料比热容；q 。为材料向空气散 失的热量，q 。为激光功率密度。 为了求解热平衡方程，必须要设定初始条件和边 界条件，假设金属粉末具有初始温度％，可得到式 1 的初始条件 r 菇，Y ，z ，0 r o其中 石，Y ，z ∈D 2 对于边界条件的确定，可以假设粉床温度在t 0 时刻为一初始值，即金属粉末底层的温度t 0 时恒 定，当t 0 时，在任意时间段内，金属粉末表面单位面 积所吸收激光的热量，应等于该表面向粉末内部传人 的热量、对流换热与表面辐射散失的各项热量之和。 故自然边界条件可表述为 A 。三 ‘一q h T 一7 “ o 0 “ 8 T 4 一巧 0 3 式中A ，为金属粉末有效导热系数；T 为t 时刻的材料 表面温度；r 0 为初始温度 或者环境温度 ；h 是对流 换热系数；o r 为S t e f a n B o h z m a n n 常量，其值为5 ．6 0 7 X 1 0 。8W ／ m 2 K 4 ；s 为热辐射系数。 随温度变化的热物性参数及边界条件中的辐射导 致有限元分析高度非线性。辐射会使求解时间大大增 加，因此，使用V i n o k u r o v 经验关系求解 H 2 ．4X1 0 。3 e T “6 1 4 3 移动高斯热源的加载 在L D F 成形过程中，激光能量是以热流密度输人 到粉床中的，服从高斯分布[ 6 ] ，即 2 A P ／2 r ‘＼，。 q2 了e x p I 一il 5 叮r t O、c c ，， 式中∞为光斑半径，即热流密度为光斑中心热流密度 1 ／e 2 处距光斑中心的距离；A 为粉床对激光束的吸收 率；P 为激光功率；粉床表面上一点到光斑中心的 距离 r 2 戈一戈o 2 z z o v t 2 6 为了对高斯热源进行简化处理，激光束的范围近 似为3 x 3 单元大小，假定单元中心热流密度为单位1 ， 则上下左右4 个单元的相对热流密度为0 ．5 ，4 个角的 相对热流密度为0 ．2 。每加载一步，就向前移动1 个单 元。激光扫描方式采用逐行扫描，如图2 所示。 图2 逐行扫描方式 4 金属粉末的热物性参数 金属粉末材料的热物性参数是数值模拟计算中影 响计算精度的重要因素之一。由于温度场分布与粉末 材料的有效导热系数、比热容、热吸收率和熔点等参数 有关，因此设定准确的热物性参数对仿真结果有重要 的影响。研究考虑了粉末热物性参数与温度的关系， 在通用有限元分析软件A N S Y S 中设定不同的温度对 应的热物性参数，A N S Y S 会根据需要自动线性插值计 算没有设定的值。在仿真中所用材料设定的温度与对 应的热物性参数如表1 所示o7 | 。 表1F o 粉的热物性参数 万方数据 第6 期苏正夫铁粉激光直接成形温度场数值模拟 在影响粉末成形性能的热物性参数中，粉床的有 效导热系数最为重要，并且其传导机理很复杂。假设 所有粉末为球形且不存在接触变形，则粉床的有效导 热系数由下式进行估计吲 笔- 1 一厉 轳厉 2 卜生 k ； 主- n 睁， 一≯’ k ， J ． k g 7 其中k 。，k ，分别为环境气体和固体材料的导热系数；中 为孔隙率，约为0 ．4 7 7 ；后，为粉末中由辐射引起的热传 导系数。 激光直接成形过程中，铁粉经历了粉末固相- 液 相一固相状态的转变。A N S Y S 通过定义材料的焓随温 度变化考虑相变潜热，可表示为 H I p C T d T 8 J ’ 5 模拟结果与讨论 本文模拟重点考虑激光功率对L D F 温度场的影 响，采用逐行扫描的扫描方式，扫描两层，铺粉厚度为 0 ．1m m ，每层扫描8 道，扫描速度为5 0m m ／s ，扫描间 距为0 ．1m m ，激光功率分别选取9 5w ，7 5w ，铁粉对 激光的吸收率为0 ．3 5 。下面研究烧结层数与激光功率 对L D F 温度场的影响。 5 ．1 上下两层温度场比较 图3 为上下两层同一位置被施加载荷时的温度场 分布，可以看出上下两层中移动的激光热源形成的温 度场均呈一个拖着尾巴的彗星状，具体表现为熔池前 端的等温线比后端的等温线要密，这是由于已熔化区 域比未熔化区域的导热系数要大，已熔化区域更有利 于热传导。还可以看出，第二层熔化时温度场的最高 温度 20 6 7 ℃ 要高于第一层温度场的最高温度 18 8 5 ℃ ，这是由于熔化完第一层后温度的累积效 应导致第二层粉末的初始温度增大。同时第二层上熔 池的尺寸也在增大，由第一层的0 ．2 0m m x 0 ．1 5m m 增 大到0 ．3 5m m x 0 ．2 8m m 。 图4 为上下两层上具有相同X - Y 坐标位置 0 ，0 的两个节点的温度随时间变化曲线。由图4 看出在 0 ～0 ．3 2S 内，位于第一层 0 ，0 坐标位置节点的粉末 经历了预热、快速熔化、快速凝固3 个状态，而此时第 二层尚未激活，因此未显示出上层节点温度；在0 ．3 2 ～ 0 ．6 4S 内，第二层相同位置的粉末也出现与第一层粉 2 7 S 2 4 46 3 2 ．9 8 39 9 0 ．7 2 21 3 4 81 7 0 6 4 S 4 _ 1 1 38 1 1 ．8 5 2 1 1 7 0 1 5 2 71 8 8 5 ●■嘲固L 一～．I 5 7 4 ．7 6 29 0 6 ．4 81 2 3 8 1 5 7 0 1 9 0 2 7 4 0 ．6 2 11 0 7 2 1 4 0 41 7 3 6 2 0 6 7 图3 上下两层相同X - Y 平面位置载荷作用时的温度分布 a 第一层； b 第二层 时间／s 图4 上下两层相同位置的温度一时间变化曲线 a 第一层； b 第二层 末相同的熔化过程，但第二层的温度最大值要高于第 一层温度的最大值，这与上述温度场云图分析一致，都 符合L D F 的成形机理。 5 ．2 激光功率对激光直接成形温度场的影响 为了考察激光功率对L D F 温度场的影响，选取 9 5w 、7 0w 功率下当施加第2 3 0 个载荷步后的温度场 作为研究对象，模型如图5 所示。图6 为第2 3 0 载荷步 作用下温度沿直线a b 方向的变化。可以看出，随着激 光功率的增大，a b 线上最高温度也在增大，由16 2 0 ℃ 增加到20 6 8 ℃；同时，由于铁的熔点约15 0 0 ℃，熔化 宽度也由0 ．1 5m m 增加到0 ．2 5m m 。因此，激光功率 增加，熔化温度和熔化宽度均有所增加。 葶}珈咖瑚葶}渤咖珊湖珈o 2 2 2 i l p ＼避赠 万方数据 1 0 6 矿冶工程第3 3 卷 第2 3 0 个载荷步 图5 第2 3 0 个载荷步作用时示意图 1 6 1 9 ．9 9 l 1 5 0 7 6 2 1 3 9 7 ．S 3 l 1 2 8 矗3 p1 1 7 5 ．0 6 9 裔1 1 h 5 3 ．8 3 8 理 9 5 2 ．6 0 7 8 4 1 ．3 7 6 7 3 1 1 ．1 4 5 6 1 8 9 1 4 5 0 7 ．6 8 3 2 0 6 7 ．4 9 3 1 9 2 3 ．8 3 2 1 7 { j 0 ．1 6 9 1 6 3 6 ．s 0 6 p1 4 9 2 8 4 3 州1 3 4 9 ．1 8 赠1 2 0 55 1 7 l I 6 1 ．8 S 4 9 1 8 ．1 9 1 7 7 4 ．5 2 8 6 3 0 ．8 6 5 图6 沿直线a b 方向的温度变化 a 激光功率7 0w ； b 激光功率9 5W 6 试验验证 选取激光功率9 5w 、7 0w ，扫描速度为5 0m m ／s 进行试验，得到的样品表面形貌如图7 所示。可以看 出，激光功率在9 5w 下成形时样品表面较粗糙，球化 现象严重，而在7 0w 功率下成形时样品表面较平整、 细致。这是因为在9 5W 激光功率下，粉末获得更多 的激光能量，形成较大的熔池，熔化宽度达到0 ．2 5 m m ，由于扫描间距只有0 ．1m m ，导致铁粉多次被重 熔，产生更多的液相，从而导致球化严重；在7 0W 功 率下成形时，熔化宽度只有0 ．1 5m m ，刚好使两条相邻 扫描线紧密熔合在一起而无多次重熔，从而显示出较 平整的表面形貌，与模拟结果一致。 参考文献 图7 不同功率下样品表面形貌 a 激光功率9 5w ； b 激光功率7 0w E d s o nC o s t aS a n t o s ，M a s a n a r iS h i o m i ，K o z oO s a k a d a ，e ta 1 ．R a p i d m a n u f a c t u r i n go fm e t a lc o m p o n e n t sb yl a s e rf o r m i n g [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u m a lo fM a c h i n eT o o l s ＆M a n u f a e t u r e ，2 0 0 6 ，4 6 1 0 1 4 5 9 1 4 6 8 ． O s a k a d aK ，M a s a n o r iS h i o m i ．F l e x i b l em a n u f a c t u r i n go fm e t a l l i c p r o d u c t sb ys e l e c t i v el a s e rm e l t i n g o fp o w d e r [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fM a c h i n eT o o l s M a n u f a c t u r e ，2 0 0 6 ，4 6 1 1 11 8 8 一l1 9 3 ． 赵宝军，施法中，冯涛，等．选区激光烧结成型中致密度的数值 模拟与实验[ J ] ．激光技术，2 0 0 3 ，2 7 1 4 0 4 3 ． C h i l d sTHC ，H a u s e rC ，M B a d r o s s a m a y ．S e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g m e l t i n g o fs t a i n l e s s a n dt o o ls t e e l p o w d e r s E x p e r i m e n t s a n d m o d e l i n g [ J ] ．P r o c e e d i n g so ft h eI n s t i t u t i o no fM e c h a n i c a lE n g i n e e r s ， P a r tB J o u r n a lo f E n g i n e e r i n gM a n u f a c t u r e ，2 0 0 5 ，2 1 9 4 3 3 9 3 5 7 ． 姚化山，史玉升，章文献，等．金属粉末选区激光熔化成形过程 温度场模拟[ J ] ．应用激光，2 0 0 7 ，2 7 6 4 5 6 4 6 0 ． 李吴，沈以赴，李守卫，等．激光扫描路径对直接金属激光烧结 温度场的影响[ J ] ．南京航空航天大学，2 0 0 5 ，3 7 5 6 3 8 - 6 4 2 ． 沈显蜂，王洋，姚进，等．直接金属选区激光多道烧结温度 场有限元模拟[ J ] ．四川大学学报 工程科学版 ，2 0 0 5 ，3 7 1 4 7 5 1 ． 上接第1 0 2 页 4 结论 此次齿轮断裂主要是由于齿轮中2 ．5 级D 类夹杂 物的存在，同时齿轮咬合面次表层在受力时呈应力集 中状态是裂纹产生的促进因素，两者的综合作用最终 导致齿轮断齿。 参考文献 [ 1 ] 李宝奎，王爱香，赵少甫，等．1 7 C r N i M 0 6 钢渗碳淬火畸变特性及 其控制的研究[ J ] ．热处理技术与装备，2 0 0 7 ，2 8 2 3 6 - 3 8 ． [ 2 ]陈珂．1 7 C r N i M 0 6 钢齿轮渗碳缓冷裂纹分析及防止措施[ J ] ．机 械工程师，1 9 9 9 1 0 5 5 5 5 ． [ 3 ] 吴正锡．高强度渗碳齿轮钢1 7 C r N i M 0 6 的研究[ J ] ．四川冶金， 1 9 9 3 ．1 5 3 3 6 - 3 9 ． [ 4 ]张爱梅．非金属夹杂物对钢性能的影响[ J ] ．物理测试，2 0 0 6 ，2 4 4 4 2 4 4 ． [ 5 ] 阴志国．非金属夹杂物对钢性能的影响[ J ] ．中国科技博览， 2 0 1 2 ，2 4 4 3 4 4 3 5 ． 1 2 3 4 5 6 7 l - 心 口 H b 哺 “ 万方数据