选区激光熔化H13钢温度场及应力场的研究

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选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)工艺过程相对简单,成型金属材料范围较广,具有很好的发展前景。该技术在缩短产品开发周期的同时,可以尽可能的使制件的致密度接近100%,而且成型后的制件可以不需要后处理或只需简单后处理就直接投入使用,相比于传统的制造工艺,使用该技术制造的零件各方面的性能可以更优。本文首先制备了H13钢的SLM试样,接着对试样的显微组织和性能进行了观察和分析,然后采用有限元软件ABAQUS,对SLM加工过程中不易观察的温度场、熔池形貌和应力场进行了分析。结果表明,实验得到了最大致密度为97.47%的试样,发现致密度随激光功率的增大先增大,后略有减小,随扫描速度的增大而减小。试样出现了球化、未熔化和未熔合等缺陷,显微组织主要以马氏体为主,试样的晶粒内部存在尺寸为几微米至数十微米的条状和胞状亚结构。数值模拟温度场方面,影响最高温度的主要热物理参数是比热容,而热导率影响冷却速度;而应力场方面,影响应力场的主要力学性能参数是热膨胀系数。粉床下方实体体积越小,散热效果越差,但同时可以减小加工过程中的应力。冷却时,粉末-实体交界处及附近区域的等温线出现了“内凹”现象。熔池的最高温度和尺寸随激光功率的增大而增大,随扫描速度的增大而减小。多道扫描的热积累会使各道次最高温度逐渐增大。基于温度场的计算结果,采用顺序耦合法计算应力发现,应力分布呈各向异性,且主要沿着激光移动方向分布,残余应力随激光功率的增大而增大,随扫描速度的增大而减小。对比模拟与实验的残余应力测试结果发现,模拟与实验基本吻合,模拟结果能够大致反映SLM制件残余应力随工艺参数变化的趋势,具有一定的参考价值。
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