高温镍合金选区多激光熔化熔池流体动力学模拟研究

来源 :南昌航空大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:miyinghua
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增材制造被认为是新一轮工业革命的驱动力,受到了世界各国的广泛关注。传统选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)只有一个激光,加工效率较低,成为限制其工业化应用的主要原因之一。选区多激光熔化可以显著增加制造零件效率,扩大其应用范围,对于推进SLM技术提高其效率和工业化应用具有重要的意义。但是对于多激光技术计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的研究鲜有报道。所以,本文建立了镍基高温合金(GH4169)选区双激光熔化过程的三维高保真粒子尺度计算流体动力学模型,在此基础上分析了选区双激光熔化过程中镍基高温合金熔池的动力学行为。主要研究内容如下:(1)首先,研究了选区并行双激光熔化熔池的润湿、颈缩和重叠区附近的气孔现象。结果表明,选区并行双激光熔化(Selective Parallel Dual-laser Melting,SPDLM)工艺提高了熔池的重熔率和熔池重叠区域的润湿性,降低了缺陷发生的概率,特别是降低了粉末颗粒未完全熔化的概率。当并行双激光间距为激光束半径的2.5倍时,由于两道熔池重叠区域温度分布均匀,熔池完全熔化,可以更好地保证两熔池重叠区域的产品质量。采用优化工艺参数的SPDLM技术不仅可以提高打印效率,而且可以改善两熔池重叠区域的表面成形质量。模拟结果还揭示了选区多激光熔化过程中气孔缺陷的形成机理。高精度颗粒尺度CFD模型方法来表征SPDLM过程中的熔池,有助于选区多激光熔化过程的优化设计。(2)其次,研究了选区顺序双激光熔化(Selective Sequential Dual-laser Melting,SSDLM)的扫描功率和双激光偏置间距对熔池润湿性,孔隙和颈缩现象的影响。CFD结果表明:当两激光偏置间距为激光半径的3.7倍左右时,重叠区熔池较大,且熔池向四周流动,此时熔池润湿性能良好。合适的后激光热源可以消除前激光热源产生的未完全熔化形成的孔洞以及反冲力凹陷坍塌形成的卷气。因为后激光产生反冲力凹陷可以将前激光因熔化不完全而形成的孔洞击穿,使得孔洞中气体与空气连通。随着熔池周围的液体对该处进行补充,从而消除孔洞。CFD模拟结果与实验结果一致。熔池受到较强的蒸汽反冲力和Marangoni力共同作用,而表面张力的影响较小,导致熔池流动稳定且流速较快,熔池表面质量较好。因此,具有合适工艺参数的SSDLM可显著消除熔池颈缩现象。同时采用正交实验得到了SSDLM镍基高温合金最佳产品质量的工艺加工窗口。(3)最后,对选区相向双激光熔化(Selective Oppositely Dual-laser Melting,SODLM)重叠区的熔池形貌进行了研究。结果表明:当选区相向双激光熔化在合适的参数下,重叠区熔池完全熔化,可以提高产品表面质量。重叠区熔池受到反冲力和Marangoni力共同作用下,朝着粉末颗粒底部流动,重叠区粉末颗粒底部空气将会消失,提高了重叠区产品的致密度。研究结果显示,选区两激光相向扫描会影响熔池流动。两激光相遇后,两激光重叠区熔池受到蒸汽反冲力的影响,使得蒸汽反冲力驱动熔池朝着相向激光熔池尾部横向流动,提高了重叠区熔池边缘的润湿性。本研究工作可以为SODLM工艺优化提供指导依据。
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