金属粉末选区激光熔化成形过程温度场模拟_姚化山

1、 第 27 卷第 6 期 应 用 激 光Vol.27 , No .62007年 12 月APPLIED LASERDecember 2007金属粉末选区激光熔化成形过程温度场模拟姚化山 , 史玉升 , 章文献 , 刘锦辉 , 黄树槐(华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室 , 湖北武汉 )提要 利用 ANSYS 有限元软件对选区激光熔化(Selective Laser M elting , SLM)成形过程的三维瞬态温度场的分布变化进行了数值模拟 ;在考虑材料的热物性参数随温度变化和相变非线性行为的情况下 , 建立了选择性激光熔化(SLM)的三维温度场有限元模型 ;并利用 ANSYS

2、 参数化设计语言(APDL)实现了激光高斯热源的移动加载 。 模拟结果表明 :随着扫描时间的增加 , 由于热积累效应 , 熔池的温度越来越高 , 热影响区也随之增大 ;熔化成形过程中 , 光斑中心的前端存在较大的温度梯度 ;扫描速度小 , 容易造成液相的流动 , 出现孔洞 , 扫描速度过大 , 则粉末不能完全熔化 ;模拟得到的结果与实验结果相吻合 。关键词 选区激光熔化 ;有限元模型 ;ANSYS 参数化设计语言 ;熔池 ;液相Numerical Simulation of the Temperature Field in Selective Laser MeltingYao Huashan

3、, Shi Yusheng ,Zhang Wenxian , Liu Jinhui,Huang Shuhuai(State Key Laboratory of Plastic Forming Simulation and Die and Mould Technology , Huazhong Universityof Science and Technology , Wuhan , H ubei , China)Abstract This article uses ANSYS to simulate distribution of the tem perature field in selec

4、tive laser melting .A three-dimensional transient thermal finite model of SLM is established based on latent heat due to phrase transformation from powder to liquid and thermo physical of materials considered to be temperature-dependent .By using the ANSYS parameter design language(APDL), the moving

5、 of laser beam can be controlled.The simulation results show that with the time increasing , the temperature of the molten pool becomes higher and HAZ becomes bigger because of the heat accumulative effect , great temperature gradients exist in the front of laser spot, and that liquid phase flows ea

6、sily and holes appear because of slow scanning speed, contrarily , the powder can not be melted completely .These agree with the experimental results well.Key wordsSelective laser melting ;finite element model ;ANSYS parameter design language ;molten pool ;liquid phase1引言选区激光熔化(Selective Laser Melti

7、ng , SLM) 是一种金属件直接成型方法,是快速成型技术的最新发展。该技术采用中小功率激光器(N d:YAG 或光纤激光器),成形材料范围广泛(单一金属粉末、复合粉末、高熔点难熔合金粉末等),成形过程中金属粉末完全熔化,产生冶金结合,可以制得致密度达到 100 %、精度达到 0.1%的金属成形件 1 。但是由于成形过程中激光束的功率密度高,扫描速度快,金属粉末在瞬间内经历了固液固状态的转变,致使成形过程中温度分布不均衡,温度梯度大,易产生较大的残余应力和翘曲变形。因此,对选区激光熔化的成形过程进行数值模拟,揭示其温度场的分布规律,对于选择合适的工艺参数,适宜的材料特性,降低温度梯度及其产生

8、的应力具有重要的意义。文献 2 和文献3 分别建立了单道和单一层的二维温度场有限元模型,没有推广到三维模型;文献 4 建立了基于 SLM 成形过程的三维有限元模型,但没有考虑粉末热物性参数随温度的变化。为此本文基于 ANSYS 建立 SLM 成形过程的三维有限元模型,考虑材料的热物性参数随温度变化和相变等非线性行为情况。激光热源近似为高斯分布,并利用 ANSYS 参数化设计语言(APDL)实现了激光高斯热源的移动加载,对选区激光熔化成形过程的三维瞬态温度场的分布变化进行了数值模拟,很好地指导了实验研究。基金项目 :华中科技大学博士后基金项目(项目编号 :) 国家科技型中小企业创新基金资助项目(

9、项目编号 :05C)收稿日期 :2007-10-152模型的建立有限元模型如图 1 所示。图 1SLM 有限元模型模型分为粉末和基板两部分。基板的尺寸大小为 3mm 1 .8mm 0.4mm ,粉末的尺寸大小为 2. 2mm 1.2mm 0 .2mm 。由于成形过程中温度梯度较大,所以粉末部分划分为较小的单元网格,为 0.1mm 0.1mm 0.1mm ,以获得一定的计算精度;基板部分又分为上下两部分,在基板的下部采用比较大的网格,上部采用自由网格。粉末和基板下部采用 Solid70 热单元划分,基板上部采用 Solid90 热单元划分。这样处理大大减少了模型单元数和节点数,从而节省了计算时间

10、,提高了计算效率。3初始条件和边界条件的确定 5为了求解热平衡方程,需要设定初始条件和边界条件。成形过程开始前,我们假设初始温度为T0 ,可用式(1)进行表示:T(x , y , z ,0)=T0 (x ,y ,z)D (1) 粉床表面的散热主要通过对流和辐射方式进行其温度场边界条件可表示为: T44-kn -q+h(T -T0)+(T -T0)=0(2) n式中 kn 为金属粉末的有效导热系数, T 为成形过程中某一时刻金属粉末的温度, h 为对流换热系数,表示实际物体的有效辐射率(黑度),为 Stefan-Boltzmann 常数,约为 5.67 10 -8W/m2K4 。与温度有关的热物

11、性参数及上面边界条件中的辐射,导致有限元分析高度地非线性。辐射会使求解时间大大增加,因此,使用下面的Vinokurov 经验关系式求解:H =2.410-3eT1.61(3) 公式(3)把辐射和对流结合起来成为一个整体系数,求解精度损失小于 5%。4高斯热源的加载选区激光熔化成形过程中,激光能量以热流密度的形式输入到粉床上,其服从高斯分布6 :2AP2r2q= 2 exp - 2 (4) 式中,为激光光斑半径,即热流密度降为光斑中心热流密度 1/e2 处距光斑中心的距离;A 为粉床对激光的吸收率;P 为激光功率;r 为粉床表面上一点到光斑中心的距离6 :r2 =(x -x0)2 +(z -z0

12、 -vt)2 (5) 在此,我们对高斯热源进行了简化处理,激光束的范围近似为 33单元的大小,假设在中心单元施加的热流密度为单位 1,则上下左右四个单元的相对热流密度为 0.5 ,四个角上的相对热流密度为 0 . 2 。每扫描完一步,就向前移动一个单元,如图 2(a) 所示虚线到实线的变化。激光束在金属粉末层表面 (XY 面)内移动,其扫描方式为分组变向,如图 2(b) 所示。(a)热源的移动 3(b)热源的扫描路径图 2 热源的移动和扫描路径在热源的移动加载过程中,利用 ANSYS 中的生死单元功能实现热源在不同时刻不同单元上的加载:首先用 EKILL 命令杀死所有的金属粉末模型 457 的

13、单元,当热源移动到某一单元时,再用 EALIV E 命令激活该单元,在热流密度施加在该单元上的同时,上一单元的热流密度被除去,并且将上一单元的计算结果作为本次计算的初始条件来计算本次的热传导矩阵和比热矩阵,这样一直循环下去,直到成形过程的全部完成。5热物性参数与相变潜热的处理模拟采用的材料为水雾化铁粉,其密度为7870kg/m3 ,其他热物性参数如表 17 。表 1铁的物理性能温度T (K)273573873117314731773导热系数(W/mK)74.755.538 .228.232.232 .2比热容 c(J/KgK)435.1552.3753 .1656.9640.2836 .8在影

14、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,并且其传热机理很复杂,其精确的数据也很难确定。假设所有的粉末颗粒均为球形,且不存在接触变形,则粉床的有效导热系数可由下式(6)进行估计 6 :kekg=(1-1-)1+krkg+1-21-kgks11-kgks1nkskg-1+krkg(6)其中,kg ,ks 分别为环境气体和固体材料的导热系数;为初始孔隙率,约为 0.477;kr 为粉床中由辐射引起的热传导系数,可由下式表示6 :kr =4FT2P(7) 式中,为 Stefan-Boltzmann 常量;DP 为粉末颗粒的平均直径;TP 为粉末颗粒的温度;F 为表观系数, 近似取为

15、1/3。SLM 成形过程中,金属粉末材料经历了固 液固状态的转变,存在着相变过程。相变潜热是指在相变过程中吸收或放出的热量。ANSYS 通过定义材料的焓随温度变化考虑相变潜热。焓的单位为 J/m3 ,是密度与比热的乘积对时间的积分5 :H =C(T)dT(8)6模拟结果与讨论本文模拟重点考虑了扫描速度对 SLM 零件的影响,采用图 2(b)所示的分组变向的扫描方式,扫描两层,每层扫描 8 道,激光功率 120W ,扫描间距 0.1mm ,扫描速度 50mm/s 和 200mm/ s,铺粉厚度0.1mm ,初始温度 T0 设为 0,粉末对激光的吸收率 0 .355 。模拟得到以下的分析结果:6

16、.1 扫描速度为 50mm/s图 3 不同时刻的温度场分布 (a)0.472s (b)0 .636s图 40 .636s时刻横切面和纵切面的温度分布图图 3 为 0.472s 和 0.636s 时温度场的分布云图,可以看出:激光光斑中心的温度达到 2061,高于铁粉的熔点(铁粉的熔点为 1250 13508 ,低于铁的熔点),实现了铁粉的熔化,形成熔池,产生液相。在熔化成形过程中,温度场呈椭圆形,熔池前端的温度梯度比后端已熔化的区域大,具体表现为温度等值线比后端已熔化区域的要细密,这是由于后端已熔化的部分的导热系数要大于前端未扫描到的粉末的导热系数,光斑中心的热量更易向后传播的缘故。同时,熔池

17、的大小尺寸随着吸收能量的增加而逐渐增大,由 0.472s 时的 0.23mm 0.20mm 扩展到 0 .636s 时的 0 .35mm 0 .25mm 。图 4 为 0.636s 时横切面和纵切面的温度分布云图,可以看出熔池的深度达到 0.1mm ,这保证了激光扫描第二层时,同时使正下方的第一层的粉末再次熔化,与第二层熔化的粉末冶金结合在一起,这样保证了 SLM 零件层与层之间结合的强度。图 5 上的 1 、2 两点为成形粉末第二层表面上两条扫描道上的点,其温度随时间变化的关系如图 6图 5粉层上表面的定点图 6粉层上表面 1、2点温度随时间的变化扫描线紧密结合在一起。2 点的温度变化与 1

18、 点相似,只是由于前一扫描道对后来的扫描道有预热作用,2 点的温度略高于 1 点,这些都符合 SLM 成形过程的机理。6 .2 扫描速度为 200mm/s所示,由于0至0.s32,激光扫描第一层,两点处于死单元上,没有被激活,所以温度为初始温度T0;激光开始扫描第二层时,两点的温度开始逐渐升高,当激光扫描至1点时,1点的温度急剧升高达到2000左右,1点的第二个峰值为激光扫描到与1点对应的下一条扫描道上的3点时,1点的温度再次急剧升高并发生了重熔,这样可以使相邻的两条图70.318s时的温度场分布云图图8为定点2在扫描速度为200mm/s的条件下温度随时间的变化关系。与图6相比,同样位置的粉末

19、在不同扫描速度下,激光光斑中心的温度相差近1000。图 7 为 0 .318s 时的温度场分布图,可以明显看出:由于扫描速度过快,激光束作用在单位面积粉末上的时间短,粉末获得的激光能量少,光斑中心的温度只有 978,远低于铁粉的熔点温度,粉末颗粒不能完全熔化,只能表面发生部分熔化而相互粘结在一起。图 8粉层上表面 2点温度随时间的变化7实验验证本实验采用的设备为华中科技大学与武汉滨湖机电公司共同开发的 HRPM-I 快速成型系统。实验采用的工艺参数与模拟参数相同,进行两种扫描速度下的实验,得到的实验结果如图 9(a)(b)所示。从图 9(a)中可以看出 SLM 零件表面出现大量的孔洞,这是由于

20、激光扫描速度慢,作用在单位面积 459 粉末上的扫描时间长,从而使扫描到的粉末获得很高的激光能量,粉末在高温下熔化产生的熔池就会有较大的宽度和长度,形成较多的液相,如图 3中模拟得到的结果;同时由于粉末熔化前很松散,而高温下熔化成液相后,致密度增大,就需要吸附附近的粉末,致使相邻的扫描道由于粉末不足或液相流动而出现大量的孔洞。图 9(b)为扫描速度为 200mm/s 时得到的 SLM 零件,由于扫描速度过快,激光作用在单位面积粉末上的时间短,致使单位面积上的粉末获得激光能量小,粉末来不及完全熔化,只是颗粒表面发生熔化而相互粘结在一起,从图 9(b)中可明显看出零件表面上未完全熔化的粉末颗粒。这

21、些都很好地验证了模拟结果。图 9实验结果7结论在考虑材料的热物性参数随温度变化和相变非线性行为的情况下,建立了选择性激光熔化的三维温度场有限元模型;并运用 ANSYS 有限元软件模拟了选区激光熔化成形过程中三维瞬态温度场的分布变化情况。考虑在不同扫描速度下选区激光熔化成形过程的温度场分布情况,分析了扫描速度对选区激光熔化零件表面质量的影响,扫描速度小,容易造成液相的流动,出现孔洞,扫描速度过大,则粉末不能完全熔化,为扫描速度在实验上的工艺优化提供了依据。模拟结果与实验结果相吻合,说明本文模拟计算方法是可行的,除本文讨论的扫描速度外,我们还可以对激光功率、扫描间距等工艺参数进行优化,从而有效地指

22、导实验研究。参考文献 1 史玉升 , 鲁中良 , 章文献 , 等 .选择性激光熔化快速成形技术与装备 J .中国表面工程 , 2006, 19 (5+):150-152 . 2 M .Labudivic , D .Hu , R .Kovacevic .A three dimensional model for direct laser metal powder deposition and rapid prototyping J .Journal of Materials Science 2003(38):35 -49 . 3 M .Matsumoto , M .Shiomi, K .Osakada , etal.F