铺粉工艺对选区激光熔化铺粉和熔道质量的影响:数值模拟研究

来源 :南昌航空大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangsanjun
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选区激光熔化(SLM)是以粉末材料为基础的一种增材制造技术。铺粉工艺是整个打印流程的第一步,也是后续激光扫描的基础。粉末性质很大程度上影响了粉末层质量,进而影响最终产品质量。因此,为了提高粉末层质量以及了解更多铺粉机理,本文采用离散元(DEM)与计算流体力学(CFD)研究了粉末层成形过程及其对熔道质量的影响。主要研究内容如下:(1)首先,以成形区粗糙表面作为新的铺粉基板,研究了铺粉过程中成形区的表面形貌和工艺参数对铺粉质量的影响,并分析了铺粉过程中金属粉末在成形区粗糙表面的颗粒动力学和颗粒沉积机制。结果表明,将激光扫描方向与铺粉方向旋转一定角度可有效提高粉末层质量,增加铺粉层厚可减小成形区粗糙面对铺粉质量的影响。减小搭接率可提高成形区对颗粒的滞留能力,从而使更多的颗粒沉积在成形区,提高粉末层填充密度,但是粉末颗粒会与成形区的粗糙表面碰撞,产生颗粒迸溅现象。此外,铺粉过程中,由于成形区粗糙度的增大,成形区粗糙表面上的粉堆产生的强力链、力拱数量多于表面光滑的成形区,在滚轮作用下,力拱断裂导致颗粒重新排列,形成致密的粉末层。在成形区边界处,力拱的产生会最终导致边界处的粉末层出现空斑缺陷。(2)其次,建立回收粉末模型,研究了不同占比的回收粉末对铺粉质量影响。同时对比了铺粉方式对铺粉层厚和粉末层均匀度的影响。尽管在铺粉过程中,需要控制回收粉末的占比和次数,在仅考虑粉末形貌因素下的研究结果表明,粉末在一定的流动性范围内,回收粉末的占比越高,粉末的动态休止角越大,粉末流动性越小,粉末层填充密度越大,铺粉质量越高。原因在于,回收粉末的占比提高,不规则颗粒的数量也逐渐增大。同时也增大了颗粒之间、颗粒与基板之间的摩擦力。回收粉末对刮刀的敏感度高于滚轮,回收粉末中不规则颗粒使壁面效应更加强烈,这使得粉末层产生空斑缺陷,严重破坏了粉末层的均匀性。提高间隙高度能够减小回收粉末对粉末层质量的影响。(3)最后,结合离散元法与计算流体力学研究了粉末层在铺粉方向与沉积方向的颗粒离析效应和不同离析度的粉末层的熔道成形质量。同时研究了铺粉速度、建筑区位置对粉末层离析度的影响。通过预设填充密度相同的高斯分布与离析分布的粉末层,将粉末层数据导入计算流体力学模型中,利用激光扫描熔化粉末层,观察熔道成形质量。研究结果表明,在铺粉方向上,小颗粒更倾向于沉积在建筑区前端,而大颗粒主要分布在建筑区后端,随着铺粉速度增大,这一现象更加明显。在沉积方向上,小颗粒在重力作用下沿着大颗粒之间的空隙向下运动,而大颗粒在小颗粒的支撑作用下分布在粉末层表面。同时发现,离析分布的粉末层融化之后的熔道内部无孔隙产生,而高斯分布由于激光未能完全熔化下层的大颗粒,导致颗粒与基板的接触处产生孔隙。
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