【激光选区熔化数值模拟的研究进展的文献综述4100字】

激光选区熔化数值模拟的研究进展的文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u23297激光选区熔化数值模拟的研究进展的文献综述 15551.1激光选区熔化模拟温度场研究现状 1124891.2激光选区熔化模拟流场研究现状 370511.3镁合金激光选区熔化研究现状 43745参考文献 5SLM成形过程是一个复杂的、多尺度的、涵盖众多学科、有很多影响因素的冶金过程。SLM实验研究周期较长，成本略高，并且仅依据实验结果来探究SLM成形中的微观物理现象是不现实的，所以急需结合数值模拟结果，来研究SLM成形时熔池的变化并探索相关机理。近年来，国内外已有大量关于SLM过程温度场与流场的模拟的研究文献和报道，从而揭示成形机理。1.1激光选区熔化模拟温度场研究现状2014年戴冬华等[14]利用Fluent6.3.26商用有限体积法（FVM）软件，对激光束线能量密度（LED）对WC/Cu粉末复合体系SLM过程中熔池动力学和致密化机理的影响进行了数值模拟。在物理模型中考虑了表面张力梯度和重力驱动的流体流动，模拟了温度分布、熔池尺寸、气泡行为和Marangoni对流。2015年戴冬华等[15]提出了一个物理模型，该模型将SLM成形时的辐射传热与热扩散进行耦合，提供了局部温度场。研究了单位长度输入的激光能量对熔池温度场及表面形貌、熔池动力学以及表面张力影响。袁鹏鹏等[16]采用有限体积法模拟了TiC/AlSi10Mg纳米复合材料SLM过程中熔池的温度变化和热行为。计算中考虑了一些重要的物理现象，如随温度变化而变化的热物性参数等等。深入研究了Marangoni对流和激光功率、扫描速度等SLM工艺参数对温度演化行为、熔池尺寸和液体寿命的影响。模拟结果表明，Marangoni对流的存在可以增强对流换热，同时对熔池形状有一定影响。随着激光功率的提高或者扫描速度的降低，熔池区域温度、尺寸以及液相存在时间的数值都升高。熔池内的最大温度梯度正相关于激光功率和扫描速度的大小，但扫描速度的大小对最大温度梯度的作用相对较小。GuoM等[17]研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌及尺寸大小的影响。研究发现，较大的激光功率或者较小的扫描速度都会使激光能量密度的数值升高。激光能量密度的数值越大，熔体的润湿铺展程度相对越好，但过高的能量输入会引起匙孔效应和显微裂纹。通过模拟金属钨SLM成形时温度场的演变规律，得到了熔池区域温度梯度与冷却速率的变化曲线，对显微裂纹的成因进行了解释。TangP等[18]以点曝光扫描模式模拟Ti-6Al-4V粉末在SLM过程中的热行为。研究了不同位置的温度演化行为以及曝光时间对不同位置的温度演化行为、温度分布和熔池尺寸的影响。2018年SongJ等[19]将有限元模拟与实验验证相结合，探讨扫描策略对热行为及残余应力的分布的影响。得知扫描策略对温度场的影响很大，而熔池大小几乎不受扫描策略的影响。2019年SongJ等[20]建立了描述SLM成形Inconel718合金的热弹塑性有限元模型，探究体积能量密度的大小对熔池温度场、残余应力分布及熔池尺寸的影响。考虑了随温度变化而变化的热物性参数，以及粉末层与凝固合金之间的性能转换。在研究参数范围内，模拟的熔池尺寸随体积能量密度的增加而增大，并呈线性增长关系。AnsariMJ等[21]认为仅通过实验来精确地确定大的温度梯度和熔池尺寸是一个重大的挑战。所以他们使用移动高斯体热源为激光热源，以三维有限元分析法来分析粉末层上的温度分布及整个SLM过程中所产生的熔池大小，最终可预测熔池宽度（误差2-5%）和熔池深度（误差5-6%）。TranHC等[22]采用三维有限元数值模拟的方法，计算了SLM过程中熔池截面的尺寸。模拟基于一种新的体积热源，该热源考虑了粉末粒度分布对激光能量通过金属粉末层深度传播的影响。在体热源的模拟中，采用改进的序贯加法构造了不同粒径的金属粉末层，并通过蒙特卡罗射线追踪模拟计算了粉末层深度的吸收率分布。华东理工大学的池敏[23]应用有限元软件ABAQUS模拟SLM过程中316L不锈钢在多层多道成形条件下的热-力耦合场，研究任意激光功率和扫描速度工艺参数组合下熔池的温度场和形貌演变规律。中北大学的李保强[24]采用APDL命令流建立AlSi10Mg材料SLM成形过程的有限元模型，考虑随温度变化而变化的材料热物性参数、对流辐射的发生以及相变潜热等条件。研究SLM成形时曝光时间、点间距对AlSi10Mg材料热行为的影响。西安理工大学的叶唯娟[25]以FLOW-3D模拟软件为平台，对TC4钛合金SLM单层单道以及单层多道扫描过程进行模拟，得到了熔池温度场分布和形貌的演化规律。1.2激光选区熔化模拟流场研究现状戴冬华等[26]提出了SLM过程由热传导向小孔模式转变的物理模型，研究SLM过程中热行为的转变。热毛细力和蒸气反冲压力是熔体流动的主要驱动力，两者都包含在公式中。研究了保护气体对蒸发材料的热行为、熔池动力学、速度场和表面形貌的影响。结果表明，蒸发材料的运动方向对SLM加工件最终凝固表面形貌的形成起着至关重要的作用。2016年戴冬华等[27]提出了一个描述AlN/AlSi10Mg激光选择性熔化过程中热毛细对流和迁移行为以及增强粒子分布状态的瞬态三维模型。考虑了粉末-固体转变、温度相关的物理性质以及增强体与熔体之间的相互作用。研究了单位长度激光能量（LEPUL）对AlN增强体熔池动力学、冷却速度、尺寸及分布状态的影响。结果表明，由于熔池内氧化现象的存在，热毛细对流模式由内流模式向外流模式转变。LEPUL的增加将显著加强热毛细对流，而导致熔池冷却速率的降低。西北工业大学郑敏、魏雷等[28]研究SLM过程Inconel625合金的熔池动力学和孔隙率形成机理，提出了一种同时考虑计算效率和重要物理量的高度函数格子Boltzmann方法（HF-LBM）耦合模型。在该模型中，采用了一种新的界面捕捉技术，通过考虑界面张力、Marangoni对流和反冲压力来模拟熔体流动。研究发现，熔融粉末在表面张力而非重力的作用下可以形成连续的熔覆层，因为表面张力的强度比重力的强度大一百万倍。熔体轨迹开始处的可见高度与反冲压力密切相关。LeK等[29]建立了基于物理的计算流体力学（CFD）模型，用于模拟SLM过程。热源模型利用菲涅耳吸收函数模拟激光束的多次反射，模拟小孔模激光熔制过程中的流体流动和传热。模拟结果表明，与中深孔相比，深孔的熔池动力学是不稳定的。深井锁孔熔池中存在不同的流体流动方式，如向下流动、底部回流、顺时针流动和顶部正向流动。另一方面，中深孔的熔池动力学更为稳定，主要有两种流动形式：向下流动和向后流动。王林志等[30]模拟了AlSi10Mg粉末SLM过程中在点曝光扫描方式下的传热以及流体流动情况。探究熔池的几何尺寸，温度场、速度场分布以及液相存在时间随曝光点间距、曝光时间变化规律。结果表明，曝光时间对熔池的传热和流动影响不大，熔池尺寸变化不大。陈祯等[31]研究了K418粉末SLM过程中，激光功率P和扫描速度v等工艺参数对熔化轨迹动态热行为和形貌的影响。采用三维有限差分法对K418粉末在高斯激光照射下的动态热行为和流动机理进行了预测。FürstenauJ等[32]利用GPU上的光滑粒子流体力学（SPH）实现，可以在不到2小时的时间内模拟单个激光轨迹中的三维熔池动力学。张冬云等[33]采用考虑粉末层多孔性及其对激光束反射的热源，建立了传热与流动耦合的物理模型，研究了熔池热流场及其对Inconel718合金SLM过程的影响。模拟结果表明，Marangoni对流由熔池表面张力梯度驱动，使得SLM过程中流体流动状态主要为向外对流。Marangoni对流包括对流和传导热流，两者都对熔池形状有影响，但对流热流的影响占主导地位，其大小比传导热流大一个数量级。ZhangT等[34]采用多物理模拟方法研究了考虑相变、反冲压力、表面张力和Marangoni效应的熔池动态特性。结果表明，在SLM过程中，蒸发引起的反冲压力在熔池动力学中起着重要的作用，并导致熔池头部凹陷。由于向后的Marangoni流，物质被转移到尾部区域并产生漩涡。WeiP等[35]建立了三维数值模型，研究了SLM成形AlSi10Mg粉末过程中扫描速度、激光功率和扫描间距对熔池热力学行为的影响。模拟结果表明，工艺参数对熔池内的Marangoni流动有显著影响。强烈的Marangoni流动导致熔池内的扰动。此外，相对较高的扫描速度往往会导致熔体不稳定。在SLM过程中，熔池内的扰动或不稳定性导致了气孔的形成，而气孔的形成直接影响到熔池的致密程度。哈尔滨工业大学的贾雪[36]建立三维有限元模型，探究Inconel718粉末SLM成形过程中熔池的流场分布及变化过程。结果表明：熔池内液体流动的重要驱动力是Marangoni对流，加工参数影响熔融液体的流动速度。熔融液体的最大流速、熔池内的涡流尺寸以及熔池传质情况正相关于激光功率，负相关于扫描速度和扫描间距。大连理工大学的冯一琦[37]基于离散单元法建立了铺粉模型，采用有限体积法建立了SLM熔池的CFD模型，研究激光功率的大小和基板底面的粗糙度对熔池形貌及溶质流动的影响。1.3镁合金激光选区熔化研究现状镁合金是最轻的金属结构材料，但当前的加工技术以及镁合金本身的物理化学性质限制了它的实际应用。目前SLM技术已经在工具钢，铝及铝合金，不锈钢（304L，316L等），钛及钛合金，铜、铁、镍基合金等材料方面取得很大的进步[38-42]，同种材料的SLM成形件的力学性能比锻件的水平高或者持平[39,43,44]。但是国内外镁合金的SLM技术研究仍处于起步阶段。传统的商业镁合金如AZ91D和ZK60的SLM工艺已被研究[45,46]。但是，关于多组分混合稀土镁合金的SLM工艺尚无相关报道。总体而言，镁合金，尤其是多组元稀土镁合金的SLM技术水平远低于铝合金、钛合金、镍基合金等材料的SLM制造水平。镁合金在SLM成形过程中的加工参数、尺寸精度、组织以及力学性能等方面还有非常广泛的研究空间。参考文献卢秉恒.增材制造技术——现状与未来[J].中国机械工程,2020,31(01):19-23.ClevelangBA.Laser-formedtitaniumpartscertifiedforaerospace[J].AdvancedMaterials&Processes,2000,158(5):15-29.RuffoM.Metalrapidmanufacturing:laservselectonbeamtechnology[C]//ProceedingsofRAPIDConference,2009.KruthJP,FroyenL,VaerenberghJV,etal.Selectivelasermeltingofiron-basedpowder[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004,149(1-3):616-622.柏林,黄建云,吉芬,等.高能束流增材制造技术引领飞行器结构设计新变革[J].航空制造技术,2013,441(021):26-29.Krailling.TheproductInstructionofEOSINTM270.EOSGmbh,2005,8-21.NgC.C.,SavalaniM.M.,ManH.C.,GibsonI.,Layermanufacturingofmagnesiumanditsalloystructuresforfutureapplications[J].VirtualandPhysicalPrototyping,2010,5(1):13-19.OlakanmiE.O.,CochraneR.F.,DalgarnoK.W.,Areviewonselectivelasersintering/melting(SLS/SLM)ofaluminiumalloypowders:processing,microstructure,andproperties[J].ProgressinMaterialsScience,2015,74:401-477.OlakanmiE.O.,Selectivelasersintering/melting(SLS/SLM)ofpureAl,Al-Mg,andAl-Sipowders:Effectofprocessingco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