一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法技术

本发明专利技术公开了一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，属于金属增材制造领域。包括步骤：于有限元软件ANSYS APDL中建立包括基板和成形件的三维模型；设置实体材料参数和粉末材料参数，并分别赋予基板和成形区域，且进行网格划分；设置初始条件和边界条件，并通过生死单元技术实现层间铺粉、逐层成形；确定热源控制方程和激光热源方程，利用APDL中的函数编辑器导出热源命令流，且利用局部坐标实现激光热源的移动；求解以获取温度场数据进行分析。本发明专利技术提供的选区激光熔化有限元模拟方法，能为优化增材制造316L不锈钢的成形工艺提供参考和理论依据，可以有效减少试错实验、降低实验成本等。降低实验成本等。降低实验成本等。

【技术实现步骤摘要】
一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法


[0001]本专利技术属于金属增材制造模拟领域，具体涉及一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，该方法能够较准确预测316L不锈钢激光选区熔化成形过程中的温度场分布规律，为金属增材制造工艺优化提供理论模型，可以减少实际实验带来的成本。

技术介绍

[0002]增材制造(Additive Manufacturing，AM)，俗称3D打印，是近年快速发展的一项高端、特殊制造技术。它是基于数字三维建模，融合计算机辅助设计、材料加工、材料成型技术，利用金属、非金属材料或生物材料等，按照层层叠加、分层制造的离散—堆积原理，自下而上快速制备工件的制造技术。相比“减材制造”、“等材制造”等传统工艺，增材制造技术具有广泛的材料适应性、较强的灵活性、缩短制造时间从而降低成本等优点，因而广泛应用于航天航空、电器、铸造、建筑等行业。
[0003]金属增材制造技术是未来开发功能性零件的一个重要方向，包括选区激光熔化、电子束选区熔融、激光熔化沉积、电子束熔丝沉积、电弧增材制造等。其中选区激光熔化技术(SLM)具有成形精度高、高效致密等突出优点，是该领域广泛使用，且较为成熟的技术。选区激光熔化技术是利用高能量的激光束按照规定的路径扫描预先平铺的金属粉末，使其先快速熔化、后快速冷却凝固，逐道逐层叠加形成实体的技术。选区激光熔化技术的控制参数主要有四个方面，分别是固有参数、材料属性、加工环境和工艺参数。其中，工艺参数是影响选区激光熔化成形的关键因素，在一定程度上直接影响成形件的性能。如果选择取不当，在成形件中会出现较多的未熔融粉末、孔隙或气泡等缺陷，也可能出现翘曲、变形、裂纹等现象。
[0004]实际上，选区激光熔化成形过程较为复杂，是一个快速非平衡凝固且包含多种传热、相变物理冶金过程。如果采用实验研究方法，需要较高精度的检测设备，且可能需要进行重复实验，这不仅意味着研究成本的大幅增加，也会造成人力物力的大量耗费。对成形过程采用数值模拟的方法不仅可以弥补这一缺陷，判断新工艺参数是否满足需要，同时可直观观察SLM成形过程中温度变化，有利于SLM成形件内部缺陷、微观组织形成原因的深入研究。有限元方法是目前金属增材制造模拟中较为主流的方法，但目前这个方法往往是忽略打印过程中金属流体流动方面的计算，目的是为减少总计算量，达到能模拟更大体积目的；另外，这种方法会忽略了粉末对整体模型的影响，从而导致整体模型与实际情况有较大的误差。因此，本专利技术专利中的有限元方法避免了上述缺陷，既充分考虑熔池流体流动，也充分考虑了粉末对整体模型的影响，最终形成本专利中的新型有限元模型。利用该新型模型来分析SLM制备316L不锈钢成形过程中热行为变化，可快速且准确获得相关数据，为工艺参数的优化提供有价值的参考。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种选区激光熔化成形316L不锈钢热行为预测的有限元模拟方法，可以模拟选区激光熔化成形方式中单层单道、单层多道、多层单道及多层多道等成形件中温度场的分布规律，为优化该成形方式的工艺参数提供依据，可以有效减少试错实验、降低实验成本等。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1：在有限元软件ANSYS APDL中建立三维几何模型，包括基板和成形层；
[0009]步骤2：设置两种材料参数，即实体材料参数和粉末材料参数，分别赋予基板和成形区域；同时对基板和成形区域进行网格划分，分别采用自由网格划分和六面体网格划分；
[0010]步骤3：设置初始条件和边界条件，同时通过生死单元技术实现层间铺粉、逐层成形；
[0011]步骤4：确定热源控制方程和激光热源方程，
[0012]其中，激光热源方程利用APDL中的函数编辑器导出热源命令流，且利用局部坐标实现激光热源的移动；
[0013]在成型过程中，激光释放总热量包括激光热源与粉末之间的热辐射、粉末与外界环境的热对流、粉末与基板/粉末的热传导；SLM成型过程具有非线性瞬态热传导的特点，满足三维瞬态热传导控制微分方程，公式如下：
[0014][0015]式中，ρ为材料的密度，kg/m3；t为时间，s；kx、ky、kz为x、y、z方向上的导热系数，W/m
·
k；c为比热容，J/kg
·
k；Q为单位体积内热生成量，即粉末吸收熔化的热量，W/Kg；本模拟假设各向同性，同时考虑熔池对流是使用增强各向同性导热系数，即当未超过熔点时，kx＝ky＝kz＝k；当超过熔点后，kx＝ky＝kz＝k
×
1.4；
[0016]热源实施选用指数衰减的体热源，激光热源公式如下：
[0017][0018][0019]式中：P为激光功率；x、y、z为激光焦点坐标；r
l
为激光功率的半径，本模拟实施的激光半径为40um；H为打印层厚，取0.03mm；β为激光吸收率，取0.27；
[0020]步骤5：求解以获取温度场数据进行分析。
[0021]优选的，步骤1所述基板与成形层的单元类型均采用SOLID 70。由于增材制造属于微米级成形，成形件模型应进行细化网格，基板远离成形区域的网格尺寸在X、Y、Z方向逐渐变大，以提高计算效率。
[0022]步骤2中由于粉末颗粒一般为球形，因此每层平铺的粉末在堆积过程会存在孔隙，需对粉末材料参数进行调整，以实现金属粉末与实体材料的属性转换。两种材料需参数包
括密度、导热系数、比热容等热物性参数。在激光的作用下，当粉末温度超过其熔点时，粉末迅速熔化，并快速凝固而变为实体状态。如温度未超过熔点，粉末材料的导热系数为实体材料导热系数的1％；超过熔点时，粉末材料的导热系数与实体材料的导热系数一致。其次，金属粉末的密度为实体材料密度的0.6，金属粉末的比热容与实体材料的比热容一致。
[0023]优选的，步骤3中模型的初始条件是根据打印实际情况确定的，初始温度设置为25℃～70℃；模型的边界条件主要包括热对流和热辐射，热对流的对流系数取25W/m.K，热辐射的辐射系数取0.3。
[0024]步骤3所述生死单元技术中的设置具体为首先将全部成形层设置为“死单元”，通过APDL命令流根据成形情况逐层激活，使加工层变为“生单元”；其次，层间叠加前，增加3s铺粉时间，符合实际打印过程。
[0025]步骤(4)中模拟实施的扫描时间即扫描速度是根据热源加载的荷载步计算。激光热源方程先利用APDL函数编辑器进行改写，后定义局部坐标，利用局部坐标移动激光热源，使热源按照规定的路径运行。
附图说明
[0026]结合附图，本专利技术的技术特征以及优点将会被本领域技术人员更好理解，其中：
[0027]图1为本专利技术实施例的包括基板和成型区域的三维模型及网格划分。
[0028]图2为本专利技术实施例中热量关系示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：在有限元软件ANSYS APDL中建立三维几何模型，包括基板和成形层；步骤2：设置两种材料参数，即实体材料参数和粉末材料参数，分别赋予基板和成形区域；同时对基板和成形区域进行网格划分，分别采用自由网格划分和六面体网格划分；步骤3：设置初始条件和边界条件，同时通过生死单元技术实现层间铺粉、逐层成形；步骤4：确定热源控制方程和激光热源方程，其中，激光热源方程利用APDL中的函数编辑器导出热源命令流，且利用局部坐标实现激光热源的移动；在成型过程中，激光释放总热量包括激光热源与粉末之间的热辐射、粉末与外界环境的热对流、粉末与基板/粉末的热传导；SLM成型过程具有非线性瞬态热传导的特点，满足三维瞬态热传导控制微分方程，公式如下：式中，ρ为材料的密度，kg/m3；t为时间，s；kx、ky、kz为x、y、z方向上的导热系数，W/m
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k；c为比热容，J/kg
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k；Q为单位体积内热生成量，即粉末吸收熔化的热量，W/Kg；本模拟假设各向同性，同时考虑熔池对流是使用增强各向同性导热系数，即当未超过熔点时，kx＝ky＝kz＝k；当超过熔点后，kx＝ky＝kz＝k
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1.4；热源实施选用指数衰减的体热源，激光热源公式如下：热源实施选用指数衰减的体热源，激光热源公式如下：式中：P为激光功率；x、y、z为激光焦点坐标；r
l
为激光功率的半径，本模拟实施的激光半径为40um；H为打印层厚，取0.03mm；β为激光吸收率，取0.27；步骤5：求解以获取温度场...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志军，郑翔，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：