金属粉末选区激光熔化成形过程温度场模拟_姚化山

—456—第27卷第6期应用激光Vol.27,No.62007年12月APPLIEDLASERDecember2007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430074)提要利用ANSYS有限元软件对选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,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NumericalSimulationoftheTemperatureFieldinSelectiveLaserMeltingYaoHuashan,ShiYusheng,ZhangWenxian,LiuJinhui,HuangShuhuai(StateKeyLaboratoryofPlasticFormingSimulationandDieandMouldTechnology,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei430074,China)AbstractThisarticleusesANSYStosimulatedistributionofthetemperaturefieldinselectivelasermelting.Athree-dimensionaltransientthermalfinitemodelofSLMisestablishedbasedonlatentheatduetophrasetransformationfrompowdertoliquidandthermophysicalofmaterialsconsideredtobetemperature-dependent.ByusingtheANSYSparameterdesignlanguage(APDL),themovingoflaserbeamcanbecontrolled.Thesimulationresultsshowthatwiththetimeincreasing,thetemperatureofthemoltenpoolbecomeshigherandHAZbecomesbiggerbecauseoftheheataccumulativeeffect,greattemperaturegradientsexistinthefrontoflaserspot,andthatliquidphaseflowseasilyandholesappearbecauseofslowscanningspeed,contrarily,thepowdercannotbemeltedcompletely.Theseagreewiththeexperimentalresultswell.KeywordsSelectivelasermelting;finiteelementmodel;ANSYSparameterdesignlanguage;moltenpool;liquidphase1引言选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,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(Nd: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:20070024)国家科技型中小企业创新基金资助项目(项目编号:05C26214201059)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,提高了计算效率。—458—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)+σεθ(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,εθ表示实际物体的有效辐射率(黑度),σ为Stefan-Boltzmann常数,约为5.67×10-8W/m2·K4。与温度有关的热物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=2.4×10-3eT1.61(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=2exp-2(4)πωω式中,ω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-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3×3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—的单元,当热源移动到某一单元时,再用EALIVE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ρ为7870kg/m3,其他热物性参数如表1[7]。表1铁的物理性能温度T(K)273573873117314731773导热系数λ(W/m·K)74.755.538.228.232.232.2比热容c(J/Kg·K)435.1552.3753.1656.9640.2836.8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]:其中,kg,ks分别为环境气体和固体材料的导热系数;φ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=4FσT2P(7)式中,σ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=∫ρC(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0.35[5]。模拟得到以下的分析结果:6.1扫描速度为50mm/s—460—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1250～1350℃[8],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