【摘 要】
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增材制造(Additive Manufacturing,AM),也可称之为3D打印技术,是近年来全球热门的研究方向与成果之一,是快速成型技术的一种。增材制造是以数字模型为基础,通过逐层打印的方式来构造的技术。运用增材制造,具有很多的优点和很强的发展前景。增材制造有不同的工艺,其中选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)的优点被广泛认可。选择性激光熔化的过程中温度可高
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增材制造(Additive Manufacturing,AM),也可称之为3D打印技术,是近年来全球热门的研究方向与成果之一,是快速成型技术的一种。增材制造是以数字模型为基础,通过逐层打印的方式来构造的技术。运用增材制造,具有很多的优点和很强的发展前景。增材制造有不同的工艺,其中选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)的优点被广泛认可。选择性激光熔化的过程中温度可高达数千度,温度变化迅速且幅度较大,同时由于在此过程中激光能量的集中释放,以至于此过程难以控制,通常存在过高的热梯度并且会导致诸如裂缝等的缺陷。为了解决熔化过程中难以控制、易产生诸如裂缝等缺陷的问题,本课题进行了针对该过程的数值模拟研究。本文采用了显示粒子的有限元模型数值模拟研究了镍718(Inconel718)合金的选择性激光熔化过程。采用了非线性热解算器,并使用流体动力学分析来研究粒子的熔化演化。同时使用了水平集方法(Level Set method)来跟踪气体和金属材料域之间的界面运动。观察和研究了在固定激光束和移动激光束情况下的不同工艺参数(如激光功率,粉末颗粒尺寸大小,激光扫描速度)对温度分布和熔池形状的影响;为了研究更接近工艺实际情况的温度分布,在原有体积热源的基础上,提出并研究了颗粒表面热源模型。通过该模型,可以观察和研究原材料颗粒在热源下熔化和坍塌的过程,捕获动态温度分布和熔体流速,并观察到了由于熔化不充分引起的孔隙。具体的两种热源模型比较结果如下,对于体积热源模型,在固定激光束情况下,观察到200 W的激光功率和大尺寸颗粒产生较少孔隙;在移动激光束情况下,再次发现孔隙。熔池大小受激光功率与激光扫描速度之比(线性能量)的影响很大。对于表面热源模型,在固定激光束情况下,比体积热源产生更少的孔隙;在移动激光束情况下,通过表面热源模型能获得更合理的熔池大小,具有可预测性。实验观察进一步证实了理论模型的结论,表面热源模型仿真熔宽与实验结果误差在1.7%以内。
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