选区激光熔化AlSi10Mg合金熔化过程中的气孔缺陷演化模拟研究

-(2.6)其中为反冲压力，为环境压力，为每个原子的汽化潜热，设为4.9eV，尔兹曼常数，设为8.617×10-5eV，为熔池表面温度，为玻为合金沸点。反冲压力脉冲参数在有限元模型中的设置如图2.6所示。图2.6反冲压力脉冲参数设置2.9本章小结本章围绕选择性激光熔化（SLM）AlSi10Mg合金气孔缺陷演化模拟的核心理论与关键设置，进行了一遍比较系统的梳理与介绍，这会给后续基于COMSOL的仿真建模工作打下一个很扎实的理论和技术基础。把有限元方法的核心原理、求解步骤以及它在SLM模拟里的适用性做了介绍，并明确了它作为COMSOL软件核心理论基础的地位，这就给数值模拟的合理性提供了支撑；对COMSOLMultiphysics软件的核心功能及相关的模块进行了比较详细的说明，重点把本文会用到的那几个传热、流体流动、水平集等模块的作用讲清楚了，同时也指出了它们在SLM多物理场耦合模拟中的一些优势；针对数值模拟过程中的合理假设进行了明确，结合SLM工艺特性和本科仿真需求，把激光热源、质量损失、力学变形这些方面做了简化处理，这样做既能降低计算的复杂度，又可以把影响气孔演化的核心物理因素尽量保留下来；除此之外，还依次介绍了高斯面热源、相变潜热和水平集法的核心原理，以及热边界条件、表面张力与马兰戈尼效应、反冲压力的相关特性，这样就把各个参数和方法在SLM温度场、流场以及气孔演化模拟中的具体作用给明确了下来。总的看下来，本章梳理的这些理论基础、数值方法和相关参数设置，已经把SLM‑AlSi10Mg合金气孔缺陷演化模拟的核心要素都覆盖到了，仿真建模的关键技术要点也给点了出来，这就给第三章仿真模型的搭建、物理场设置还有后续的求解分析工作，提供了一份很全面的理论指导和技术支撑。

3.选区激光熔化AlSi10Mg熔化过程模拟结果3.1预热温度对AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化的影响图3.1为预热温度为353.15K时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化，图3.2为预热温度为473.15K时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化，图3.3为预热温度为673.15K时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化。熔池内部气泡的运动行为，可以说是气孔缺陷最终能否形成的一个很关键的环节，它的迁移轨迹和形态演化，往往是受到了浮力、表面张力、马兰戈尼效应、反冲压力以及流体阻力等多种作用力一起耦合的结果；在SLM成形过程里，高能量密度的激光束会以恒定的速率扫过去，光斑中心区域的液态金属就很容易出现局部汽化的现象，金属蒸汽瞬间产生的冲击会带来一股挺明显的反冲压力，这把激光聚焦位置处的熔池表面给压得凹陷了下去，形成一个下凹的液面形态。在强温度梯度的驱动下，马兰戈尼效应在熔池表层的作用变得很突出，它会推动着液态金属从温度高的光斑中心区域，一直往温度更低的熔池尾部流动，最后也就使得熔池后端的液面隆起来、出现凸起；而在微米级这种熔池的微观尺度下，马兰戈尼流的驱动作用其实要远远强过常规的浮力和流体阻力，这就让它成了主导气泡运动的一个核心因素，受这个规律的支配，熔池里的气泡不会只是单纯地靠着浮力垂直往上漂，而是会顺着温度梯度分布的那个方向，跟着熔池的流场一起，缓缓地向熔池尾部迁移过去。图3.1353.15K时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化气泡在向着熔池尾部缓慢迁移的这一过程里，相邻气泡之间会表现出很明显的表面张力相互作用，一旦它们之间的距离缩小到了某个临界范围，靠着表面张力的吸附和牵引作用，那些独立的小气泡就会互相聚拢、融合到一起，形成尺寸更大的气泡，这也就进一步改变了缺陷的形貌和分布特征；等到激光停止辐照以后，热源一下子就没了，熔池也失去了持续的能量供给，液态合金需要经历一段时间的降温冷却，温度才能慢慢降到凝固点并完成固液相变，在冷却的这一阶段里，熔池的整体体积一直在收缩，由于重力和流体压力差的共同作用，周边的液态金属会朝着熔池中心区域回流填充，这便引发了熔池内部流场的二次变化。这种流场的重新调整又会直接改变气泡的受力环境，让它运动的方向、移动的速度还有空间分布都跟着发生变化，其中有一部分来不及逸出的气泡，会被快速向前推进的凝固界面给包裹住、封存在里面，最终残留在合金内部，形成永久性的气孔缺陷，严重降低了成形构件的致密性和力学性能。图3.2473.15K时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化图3.3673.15K时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化通过比较三种不同预热温度下气孔的演化可以得出，预热温度对气孔的演化有显著影响。预热温度越高，孔隙越容易被消除。当预热温度为353.15K时，孔隙消除的时间为182s，当预热温度为473.15K时，孔隙消除的时间为162s，当预热温度为673.15K时，孔隙消除的时间为142s。出现这种现象，最根本的原因在于基板及粉末层的预热温度会直接影响到激光后处理过程中AlSi10Mg合金的熔化效率与能量消耗。在选择性激光熔化（SLM）工艺里，预热处理能提前把粉末和基板的初始温度给提上来，从而减小激光照射时的温度梯度，这样一来，合金从固态被加热到熔化状态所需的能量阈值和时间成本就降下来了。具体点说，要是预热温度处在较低的水平，激光束一开始就得消耗掉大量的能量去弥补初始温度和合金熔点之间的那个差值，然后粉末才能熔得动，这就使得真正用来形成熔池、推动熔池流动的有效能量变少了，最后得到的熔池面积又小又浅，可当预热温度往上走的时候，粉末和基板的初始温度就更靠近AlSi10Mg合金的熔点了，在激光能量密度保持不变的前提下。激光束不必在升温上花太多能量，于是更多的能量可以直接用在粉末的熔化和熔池的扩展上，熔池面积便会显著扩大，熔池的流动性也跟着明显提升。熔池面积一大、流动性一好，就给消除气孔缺陷带来了很有利的条件：一方面，更大的熔池空间让气泡有了更充裕的时间在里面迁移和上浮，被凝固前沿捕获的概率自然就小了；另一方面，良好的熔池流动性能够促进气泡之间的融合与逸出，防止小气泡因为熔池流动不畅而被滞留。所以，预热温度越高，熔池的形成效率就越高，尺寸也越大，气孔缺陷越容易通过上浮逸出的方式被消除掉，最终能有效提高SLM成形零件的致密度。孔缺陷越容易通过上浮逸出的方式被消除，最终有效提升SLM成形零件的致密度。3.2激光功率对AlSi10Mg合金熔化中的气孔缺陷演化的影响在预热温度为353.15K的情况下，考虑了三种激光功率（160W、200W、240W、280W），其他激光参数保持不变，如图3.4，3.5，3.6，3.7所示。当激光功率为160W时，孔隙消除的时间为222s。当激光功率为200W时，孔隙消除的时间为182s。当激光功率为240W时，孔隙消除的时间为142s。当激光功率为200W时，孔隙消除的时间为122s。可以发现，随着激光功率的不断升高，孔隙消除时间呈现出持续递减的趋势，且功率提升幅度与消除时间缩短幅度呈现出应关系。图3.4激光功率为160W时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化图3.5激光功率为200W时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化上述现象表现出来一个很明显的特征，就是激光功率越高，孔隙消除的速度就会越快，所需要的总时间也会跟着缩短。拿160W这种低功率条件来说，激光的能量输入是不够的，单位时间里能传给金属粉末和熔池的热量很有限，这就直接造成了熔池形成得慢、尺寸也偏小，而且熔池里面液态金属的温度梯度不大，马兰戈尼流的强度比较弱，熔池的搅拌作用自然也就不怎么明显；在这一阶段，熔池里头的气泡迁移动力不足，上浮、融合还有逸出的速度都很慢，于是就需要更长的时间才能把孔隙给消除掉。当激光功率提升到200W、240W、280W的时候，能量密度就一步一步地增大了，单位时间里输进去的热量显著增加，熔池的形成效率一下子就上去了，熔池体积跟着扩大、液态维持的时间也延长了，与此同时，熔池内的温度梯度在变大，马兰戈尼流和反冲压力所起的作用显著增强，这就有效地把熔池搅拌效果给强化了；在这么强的流场驱动下，气泡的迁移和融合速度都加快了，它们能在更短的时间内上浮到熔池表面并逸出，所以孔隙消除的时间也就逐步缩短了下来。图3.6激光功率为240W时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化图3.7激光功率为280W时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化激光功率这个参数，是通过调节激光能量密度，间接对熔池的形态、流场强度以及气泡演化的动力学特性施加影响的，进而也就决定了孔隙的消除效率，它的一些核心作用规律和需要注意的地方大致可以归纳如下：激光功率越高，输入到材料里的热量就越多，熔池的体积会跟着变大、液态维持的时间也会更长，马兰戈尼效应表现得越明显，气泡迁移和上浮的动力越强，孔隙消除的速度自然也就越快，所需要的时间就更短；反过来，激光功率偏低的时候，能量输入跟不上去，熔池体积小、流动性也差，气泡很难快速地逸出，孔隙消除的效率便会大幅降下来。具体点说，激光功率一提升，单位时间内输入的热量就会显著增加，这不光能加快熔池的形成速度，还可以把熔池内部的流场扰动给增强起来，促使气泡快速地进行融合与上浮，从而缩短了消除孔隙所花的时间；而且，较高的激光功率能够有效提高熔池的温度，让液态金属维持的时间变长，给气泡的迁移和融合提供了更加充足的条件，气泡也就有了更充裕的时间去完成上浮和逸出，这样一来，孔隙消除的效果便能够得到进一步的提升。要注意的是，激光功率并不是越高越好，如果功率调得太高，会导致金属汽化过度，反而有可能生成新的孔隙缺陷；可要是功率过低，又没法提供足够的热量，熔池凝固的速度过快，气泡还没来得及逸出就被滞留在了里面。另外，激光功率的调整还需要和光斑大小、扫描速度这些参数一起协同匹配，不能只让某一个参数过高或过低，得保证能量输入是稳定的，这样才能达到最理想的孔隙消除效果，同时也防止因为功率设置不当所引起的熔池不稳定、气泡滞留这一类问题，从而保障SLM加工的稳定性和成形质量。再有，在实际操作的过程当中，对激光功率的调整幅度需要严格控制，避免功率一下变化太猛，造成熔池状态波动过大，影响到孔隙的消除效果。3.3激光光斑半径对AlSi10Mg合金熔化中的气孔缺陷演化的影响在预热温度为353.15K的情况下，考虑了三种激光光斑半径（30m、40m、50m、60m），其他激光参数保持不变，如图3.8，3.9，3.10，3.11所示。图3.8激光光斑半径为30m时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化当激光光斑半径为30m时，孔隙消除的时间为122s。当激光光斑半径为40m时，孔隙消除的时间为162s。当激光光斑半径为50m时，孔隙消除的时间为182s。当激光光斑半径为60s时，孔隙消除的时间为222s。整体表现为随着激光光斑半径增大，孔隙消除时间持续延长，孔隙消除效率逐渐降低。图3.9激光光斑半径为40m时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化图3.10激光光斑半径为50m时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化图3.11激光光斑半径为60m时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化激光光斑半径一发生变化，从本质上讲，它调控的就是激光能量密度在空间上的分布情况；在小光斑半径的条件下，激光能量会高度集中，单位面积上辐照的能量密度明显要高出很多，这样一来，熔池的升温速率就变快了，峰值温度也更高，熔池内部的温度梯度跟着明显增大，而较大的温度梯度又会把马兰戈尼对流效应显著地强化起来，使得熔池内部的流体扰动和搅拌作用都得到增强，同时金属蒸发所产生的反冲压力也会跟着提上去，在浮力、马兰戈尼流动、反冲压力以及气泡间表面张力这些因素的共同耦合之下，熔池里的气泡就更容易发生迁移、合并与上浮，能够在比较短的时间里挣脱熔体流体阻力的束缚，快速到达熔池表面并完成逸出，因此在小的光斑半径下，孔隙消除所用的时间会更短。随着激光光斑半径不断变大，激光能量被横向分散开来，单位面积上的能量密度持续走低，这时候熔池整体的热输入水平就降下来了，温度梯度也明显减小，马兰戈尼流动的强度被显著削弱，熔池内部的流场扰动开始趋于平缓，对流场驱动和裹挟气泡的作用也跟着大幅减弱；气泡缺少了足够的流场动力去支撑，上浮迁移的速率就变慢了，合并逸出的过程也受到了很明显的抑制，同时能量密度的降低还会把熔池整体的凝固进程给加快，固液界面的推进速度变得更快，这样一来，有一部分气泡还没来得及充分上浮，就很容易被凝固界面给捕获并滞留下来，最终表现出的结果就是孔隙消除所需要的时间被不断地拉长了。激光光斑半径的内在作用机制，说到底就是通过调整能量密度的分布，并改变熔池内的温度梯度大小和对流流动的强度，从而影响到气泡的动力学行为与孔隙消除的进程；当光斑半径变小时，能量会高度集中，熔池的温度梯度和流场强度都变得更突出，这为气泡的迁移和逸出提供了很好的热力与动力条件，而当光斑半径变大后，能量被分散开来，熔池的热力梯度会减弱、流动驱动力也会不足，气泡逸出的阻力随之增大，排出效率也跟着降低了，所以，在合理的工艺窗口内，适当地减小光斑半径，能缩短孔隙消除的时间、提高构件的致密性，而过大的光斑半径则会明显抑制孔隙的消除效果，对内部缺陷的控制是很不利的。3.4激光扫描速度对AlSi10Mg合金熔化中的气孔缺陷演化的影响在预热温度为353.15K的情况下，考虑了三种激光扫描速度（0.5m/s、0.8m/s、1m/s、1.3m/s），其他激光参数保持不变，如图3.12，3.13，3.14，3.15所示。当激光扫描速度为0.5m/s时，孔隙消除的时间为102s。当激光扫描速度为0.8m/s时，孔隙消除的时间为162s。当激光扫描速度为1m/s时，孔隙消除的时间为182s。当激光光斑半径为60m时，孔隙消除的时间为242s。整体变化趋势清晰呈现为：随着激光扫描速度不断增大，孔隙消除时间持续延长，孔隙气泡逸出效率逐步降低。图3.12激光扫描速度为0.5m/s时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化扫描速度这个参数直接决定了激光与粉末熔池相互作用的时长以及整体的热量输入水平，当扫描速度处于较低的值时，激光束在局部区域停留的时间就会变得更长，单位面积上积累起来的热量更多，熔池的尺寸会跟着变大，液态金属也能维持更久的时间；这样一来，较长的液态保持时间为熔池内部的气泡提供了足够的上浮、合并和迁移的机会，而且此时的熔池温度梯度变得更大，马兰戈尼对流效应会更强，流场的搅拌作用也更加显著，在浮力、表面张力与熔池流动的共同推动下，气泡便能快速地向着熔池表面运动并完成逸出，这就使得低扫描速度下的孔隙消除所需要的时间达到最短。图3.13激光扫描速度为0.8m/s时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化当激光扫描速度逐步提高以后，激光对材料的作用时间会明显地缩短，单位面积上获得的热输入量也跟着持续走低；这样一来，熔池整体受热就不够了，熔池的深度与宽度都跟着缩小，液态金属能够维持的时间被大大缩短，而固液凝固界面的推进速度反倒是明显变快了。与此同时，熔池内部的温度梯度也减弱了一些，马兰戈尼流动的强度随之下降，熔池内的对流扰动变弱，气泡所受到的流场驱动力自然也就不足了，上浮迁移的动力被大大削弱；于是，大量气泡还没来得及充分完成上浮与合并，就被快速推进的凝固界面给捕获并包裹住了，滞留在基体内部之后，只能依靠缓慢的自然浮力进行一点点迁移，最终使得孔隙消除的时间被明显拉长。图3.14激光扫描速度为1m/s时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化图3.15激光扫描速度为1.3m/s时的AlSi10Mg合金的温度场和气孔演化从内在作用机制来看，激光扫描速度对气泡演化行为和孔隙消除周期的影响，主要是通过三条途径共同实现的：一是改变局部的热输入总量，二是调控熔池液态能够维持的时长，三是影响熔池的温度梯度与对流强度。当扫描速度较低时，热积累会明显增大，液态停留时间得到了延长，熔池流动也得以强化，这就为气泡的逸出创造了很有利的热力与动力学条件；而扫描速度一旦升高，就会造成热输入不足，熔池凝固得过快，流场的驱动作用也跟着弱化，气泡往往还没来得及逸出就被封存了起来，孔隙消除的时间也因此显著增加了。所以，在合理的工艺区间内，把扫描速度适当降低一些，能促进气泡的排出，缩短消除孔隙的时间，进而提升成形件的致密性；但要是扫描速度过高，气孔滞留下来的缺陷就会明显加剧，对SLM成形质量的控制是很不利的。3.5本章小结本章以AlSi10Mg合金为研究对象，采用控制变量法，系统探究了预热温度、激光功率、光斑半径、扫描速度四大核心工艺参数对选区激光熔化加工及孔隙消除的影响，结合仿真实验数据，得出核心结论如下。1.预热温度方面预热温度对气孔演化存在显著影响。随着预热温度升高，熔池流动条件得到改善，内部气孔更易上浮逸出，缺陷去除效果明显提升。2.激光功率方面，在合理范围内，功率越高，能量密度越大，熔池液态维持时间越长，气泡迁移与逸出越顺畅，孔隙消除效率越高；反之，功率不足会导致气泡难以排出，延长孔隙消除时间。3.光斑半径方面，在30~60范围内，随着半径增大，能量分散加剧，熔池流场减弱，孔隙消除时间延长，其中30小光斑对应的孔隙消除效果最优，60大光斑的孔隙消除效率最低。4.扫描速度方面，低速扫描（0.5m/s及以下）可提供充足热输入，利于气泡逸出；高速扫描（1m/s以上）会缩短熔池维持时间，导致气泡滞留，增加孔隙缺陷风险。

结论本文以选区激光熔化（SLM）AlSi10Mg合金为研究对象，围绕熔化过程中气孔缺陷的演化规律及影响因素展开系统的数值模拟研究，采用COMSOLMultiphysics6.2仿真工具，通过理论梳理、模型搭建及参数优化分析，明确了气孔缺陷的演化机制与调控路径，完成了预设的研究目标，主要得出以下结论：1.明确了SLMAlSi10Mg合金气孔演化的核心理论基础，验证了有限元多物理场耦合模拟方法在气孔缺陷仿真中的适用性。熔池内浮力、马兰戈尼效应、反冲压力与表面张力共同主导气孔运动，气孔主要表现为单独逸出、合并逸出、合并残留、单独残留四种演化形式。2.预热温度可显著调控熔池流动行为，提升气泡逸出效率。随预热温度由353.15K提升至673.15K，孔隙消除时间由182μs缩短至142μs，提高预热温度能够减小熔池温度梯度、优化熔体流动状态，有效促进气泡上浮排出，抑制气孔缺陷形成。3.激光工艺参数对气孔消除效率影响显著，在合理区间内，激光功率越高、光斑半径越小、扫描速度越低，孔隙消除效率越高。激光功率从160W提升至240W，孔隙消除时间由222μs降至142μs；光斑半径由30μm增至60μm，孔隙消除时间由122μs延长至222μs；扫描速度由0.5m/s提高至1m/s及以上，孔隙消除时间明显增加，气泡逸出难度增大。综上，本文通过数值模拟方法系统探究了SLM-AlSi10Mg合金熔化过程中气孔缺陷的演化机制及工艺调控规律，梳理的理论基础与得出的工艺优化结论。本文研究存在一定局限：一是仿真为简化模型，忽略激光热源、质量损失等复杂物理化学过程，与实际加工存在偏差；二是仅研究单一AlSi10Mg合金，未分析成分微调对气孔演化的作用；三是缺乏实验验证，仿真结论实用性不足；四是仅采用控制变量法，未深入探究多工艺参数耦合下的气孔演化规律。结合SLM技术发展趋势，本文后续可从五方面完善研究：一是优化仿真模型，减少简化假设，引入多物理场耦合，提升仿真精度；二是探究合金成分、微量元素对SLMAlSi10Mg气孔缺陷的影响，支撑成分优化；三是通过成型实验与表征检测，验证仿真结果，实现仿真实验互证；四是解析多工艺参数耦合机制，建立参数缺陷量化模型，指导工艺精准调控；五是结合数值模拟开发新型气孔抑制方法，提升构件综合性能。

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