CuCrZr铜合金选区激光熔化扫描策略数值模拟及实验研究

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CuCrZr铜合金因兼具高导热与导电性、高强度与高延展性等一系列优异特性,被广泛应用于承载、导热或导电等多功能需求的高性能零部件,如航空航天发动机的燃烧室关键部件、模具中的散热装置与高速铁路的电力接触线等。功能集成的部件受限于传统制造方法(如减材制造、铸造与锻造等)的弊端,难以满足航空航天、轨道交通等领域轻量化、高性能的严苛要求。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术因具有复杂结构构造能力强、材料利用率高和设计自由度开放等特点,被认为是制造CuCrZr铜合金产品的有力手段。然而,由于CuCrZr铜合金具有极高的导热率,导致SLM成形时表面质量差,易产生球化、孔隙与变形等缺陷,这类缺陷限制了该材料的深度应用。当前对SLM技术成形CuCrZr铜合金的研究多集中于实验手段,关于SLM成形过程中工艺参数的改变对温度演变、应力与变形趋势等的影响鲜有报道。因此,基于前期优化的基础工艺参数(激光功率、扫描速度与扫描间距),本文进一步采用数值模拟手段研究扫描策略对成形质量的影响,并结合实验手段予以验证。主要研究内容和结果如下:(1)建立CuCrZr铜合金在不同激光扫描线长度策略(3mm、5mm、7mm与10mm)下的SLM有限元数值模型,并对温度场的演变规律进行研究。结果发现,在扫描线长度不同的情况下,有限元模型中相同点的温度历史有所差异:当扫描线更短时,该点所在处被激光熔化的次数增加,局部温度维持在更高水平,此外,该点在经历最高温度(激光经过此点时)后的极短时间内瞬时冷却速率更低;随着扫描线长度的增加,由于从激光吸收的热量散失更多,激光经过该点后的极短时间内瞬时冷却速率便有所升高。对不同扫描线长度策略下的温度梯度与温度标准差的分析表明:加工的初始时刻,扫描线长度更短时的温度梯度与温度标准差这两个指标的数值更大,一段时间后,这两个指标的数值显著降低。(2)不同激光扫描线长度下成形件的宏观表面形貌与致密化行为研究。对于具有优良导热率的CuCrZr铜合金而言,扫描线长度对成形件的表面质量与致密化行为影响较大。实验样件的顶面形貌显示,当扫描线长度超过5mm时,会出现较大的凸起缺陷与大量的球化,导致成形质量较差;但在相对较短的3mm扫描线长度下,又会出现熔道不规则现象使得成形质量恶化。另外,不同情况下样件的致密化行为表明:扫描线过长(7mm与10mm)时,会因为热量不足残留未熔粉末,产生尺寸相对较大的孔隙;扫描线过短(3mm),因热量积聚,会增加熔池的不稳定性,形成近球形微孔,最终影响成形件的致密度;扫描线长度为5mm时,成形件的致密度较高。(3)利用热机械仿真与固有应变法仿真并结合不同层间旋转策略(层间不旋转(0°)、45°、67°与90°)对典型几何结构模型变形行为进行研究。从具有不同层间旋转角度策略的中尺度模型中提取固有应变值,将不同的固有应变值加载到典型结构模型中以探究层间旋转角度对不同结构特征的变形影响,结果表明:对于悬臂梁的水平悬垂区域,随着层间旋转角度的增加,悬垂区域的局部变形也会增大;从悬臂梁的整体残余变形来看,采用90°的连续层间旋转策略时,横梁在成形高度方向具有最小的翘曲变形;而对于倾斜悬垂结构,45°的层间旋转方式对减小倾斜面的变形更有利,但采用90°旋转方式的情况下,悬垂面上的高应力影响区更小。(4)通过实验成形单悬臂梁模型对仿真结果进行了验证分析。当使用层间不旋转策略时,CuCrZr铜合金零件不能顺利成形。实验结果与仿真结果的趋势较为一致,分析表明样件使用连续层间90°旋转策略在成形高度方向上的变形最小,同时,该策略下最右端支撑的翘曲变形也最小,表明此策略对减小零件的整体变形更有利。
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