CN109513924A - 一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法 - Google Patents

一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法。本发明的目的是要解决现有选区激光熔化成形镍基高温合金粗糙度预测与控制的难题，首先采用流体力学模拟不同工艺参数下单道熔池的几何形貌，然后预测不同单道熔池成型后的粗糙度，最后通过实验验证了温度场模型预测表面粗糙度的准确性，揭示了选区激光熔化成型工艺参数对表面粗糙度的影响机制，提高研究和生产的效率。

Description

一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法
技术领域
本发明涉及一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法。
背景技术
激光选区熔化是一种基于粉床沉积的增材制造技术，与传统制造相比具有明显的优势，如设计自由、近净成型制备、有效使用材料节约成本、快速制备缩短生产周期等。该方法通过材料的逐层累加完成制造，因此克服阻碍复杂零部件创造和设计的约束条件。目前，部分复杂难成型金属零部件通过激光选区熔化制备性能已达到锻件水平，在航空航天领域拥有巨大应用价值。
镍基高温合金是目前高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金，其在650-1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化性、抗腐蚀能力。激光选区熔化成型镍基高温合金相比于传统的铸锻焊工艺具有快速成型复杂结构零件的优势，因此激光选区熔化成型镍基高温合金是各国科研人员竞相研究的焦点。然而由于镍基高温合金热端零部件具有复杂的内部型腔和孔道，这些特殊的内部结构对后期精加工造成重要挑战。因此，研究控制成型表面粗糙度的方法变得越来越迫切，即可提高型腔表面完整性改善高温高压高载荷下服役热端部件的磨损特性和疲劳寿命，又能减小精整加工余量提高效率。
选区熔化镍基高温合金零部件表面的粗糙度不仅取决于设备本身的精度，而且还与成型过程中加工参数的选择有重要的相关性，由于激光选区熔化过程温度梯度高激光粉体作用时间短，实时观察和控制表面粗糙度仍然是重要的挑战。
发明内容
本发明目的是要解决现有选区激光熔化成形镍基高温合金粗糙度预测与控制的难题，首先采用流体力学模拟不同工艺参数下单道熔池的几何形貌，然后预测不同单道熔池成型后的粗糙度，最后通过实验验证了温度场模型预测表面粗糙度的准确性，揭示了选区激光熔化成型工艺参数对表面粗糙度的影响机制，提高研究和生产的效率。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法，利用ANSYS Fluent 16.0商业软件对选区激光熔化过程的单道熔池形貌进行模拟计算，通过对激光熔化成型过程中的动量、能量方程设置源项，来模拟熔池形态的变化规律，包括：(1)设定激光微熔池作用过程中受力源项方程。(2)利用VOF算法对计算域内流体相界面进行追踪。(3)设置选区激光熔化模拟初始和边界条件。
一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法，具体是按以下步骤进行的：
(1)利用相关前处理软件，对计算域建模并划分六面体网格；
(2)简化条件与模型初始化；
(3)加载热原模型；
(4)针对不可压缩的粘性流体，添加质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；
(5)激光熔池相互作用受力源项的添加包含热浮力、熔体汽化反冲压力和Marangoni力；
(6)利用ANSYS Fluent 16.0软件对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的迭代精度为止，完成激光选区熔化单道熔池动态成形数值模拟；
(7)利用NRD-SLM-300型激光选区熔化设备选区部分参数对模型进行验证。
本发明提供一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法。可以迅速并且直观地模拟出激光选区熔化过程中不同工艺条件下微熔池形态的演化过程，使得分析人员利用计算机能够预测最终零件表面粗糙度，为设计和优化激光选区熔化增材工艺参数提供参考。本发明方法在已有的有限体积法计算程序基础上稍作改动即可实现，使得激光选区熔化成型预测零件表面粗糙粗这一复杂成型过程中的问题得到了简便、高效的解决，具有重要的实用价值。
附图说明
图1是本发明方法的网格划分图；
图2是本发明方法所述模拟熔池形态变化云图；
图3是本发明方法实际测量熔池形态的变化；
图4是本发明方法预测不同工艺参数零件粗糙度变化；图中ω为根据激光功率和扫描速度换算的体能量密度，Ra表示对应体能量密度的粗糙度。
具体实施方式
结合图1-图4说明本发明实施例。
具体实施方式一：一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法包括以下步骤：
(1)利用相关前处理软件，对计算域建模并划分六面体网格；
(2)简化条件与模型初始化；
(3)加载热原模型；
(4)针对不可压缩的粘性流体，添加质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；
(5)激光熔池相互作用受力源项的添加包含热浮力、熔体汽化反冲压力和Marangoni力；
(6)利用ANSYS Fluent 16.0软件对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的迭代精度为止，完成激光选区熔化单道熔池动态成形数值模拟；
(7)利用NRD-SLM-300型激光选区熔化设备选取部分参数对模型进行验证。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤(1)中对利用相关前处理软件，对计算域建模并划分六面体网格具体过程为:
模型的计算域划分为两个区，一个区域初始化为GH4168材料，另一个区域为GH4169材料上方的保护气体，网格的划分依据这两个区域的特性，网格单元的尺寸为0.008mm×0.008mm×0.008mm，加密域的网格总数量为129350个。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤(2)中简化条件与模型初始化的具体过程为：
简化条件与模型初始化:
(a)当激光将粉末材料熔化后，与致密金属有相同性质，可以假设激光直接作用于致密的金属材料；(b)假设熔池的流动形式为层流、不可压缩的粘性流体；(c)忽略激光光压影响；(d)由于气泡无充足长大时间，设置熔体气化形成的气体为不可压缩理想气体。(e)不考虑基体上方的粉末层熔化。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：所述步骤(3)中加载热原模型的具体过程为：
加载热原模型:
所用激光能量模型为旋转高斯曲面热源模型，熔池中各点所受到热量如下式所表示：
Q＝Plaser*η
式中q为熔池不同位点的热量输入，Q为激光的有效功率，R为激光光斑半径，H表示热源深度，η为材料对激光的吸收系数。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：所述步骤(4)中针对不可压缩的粘性流体，添加质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程的具体过程为：
针对不可压缩的粘性流体，添加质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程:
质量守恒方程
动量守恒方程
能量守恒方程
式中ρ为材料密度,M为质量方程源项,为熔体流动速度,μ为熔体粘度,P为压强,F为体积力,k为热导率,SH为能量方程源项。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是：所述步骤(5)中激光熔池相互作用受力源项的添加包含，如热浮力、熔体汽化反冲压力、Marangoni力的具体过程为：
激光熔池相互作用受力源项的添加包含，如热浮力、熔体汽化反冲压力、Marangoni力:热浮力
表面张力和反冲压力转化体积力
式中Fb表示熔体浮力,ρ为材料处于熔点时的密度,β为材料的热膨胀系数,T为熔池当前温度,Tm为材料熔点,σij为i,j两相的表面张力,ki为界面处的曲率半径,为界面处的法向量,ρi为i相的密度，ρj为j相的密度。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：所述步骤(6)利用ANSYS Fluent 16.0软件对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的迭代精度为止，完成激光选区熔化单道熔池动态成形数值模拟的具体过程为：
初始条件：T(x,y,z,0)＝T0
u＝v＝w＝0
边界条件：
qc＝hc(T-Ta)
式中qc为对流换热，qr为辐射换热，Ta为环境温度，ε为辐射系数，KB为玻尔兹曼常数，hc表示对流换热系数，u，v，w分别为质量、动量和能量。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是：所述步骤(7)利用NRD-SLM-300型激光选区熔化设备选取部分参数对模型进行验证的具体过程为：
在块体上表面进行多次单道扫描试验，以得到不同工艺参数单个熔池的形态规律。实验的工艺参数范围为：粉层厚度为40μm，激光功率200-400W，扫描速率0.4-1.6m/s。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法，其特征在于，具体是按以下步骤进行的：
(1)利用相关前处理软件，对计算域建模并划分六面体网格；
(2)简化条件与模型初始化；
(3)加载热原模型；
(4)针对不可压缩的粘性流体，添加质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；
(5)激光熔池相互作用受力源项的添加包含热浮力、熔体汽化反冲压力和Marangoni力；
(6)利用ANSYS Fluent 16.0软件对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的迭代精度为止，完成激光选区熔化单道熔池动态成形数值模拟；
(7)利用NRD-SLM-300型激光选区熔化设备选区部分参数对模型进行验证。
2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法，其特征在于：步骤(1)中，所述计算域划分为两个区，一个区域初始化为GH4168材料，另一个区域为GH4169材料上方的保护气体，网格的划分依据这两个区域的特性，网格单元的尺寸为0.008mm×0.008mm×0.008mm，加密域的网格总数量为129350个。
3.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法，其特征在于：步骤(2)中，所述简化条件与模型初始化:
(a)当激光将粉末材料熔化后，与致密金属有相同性质，假设激光直接作用于致密的金属材料；(b)假设熔池的流动形式为层流、不可压缩的粘性流体；(c)忽略激光光压影响；(d)由于气泡无充足长大时间，设置熔体气化形成的气体为不可压缩理想气体；(e)不考虑基体上方的粉末层熔化。
4.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法，其特征在于：步骤(3)中，所述加载热原模型为旋转高斯曲面热源模型，熔池中各点所受到热量如下式所表示：
Q＝Plaser*η
式中q为熔池不同位点的热量输入，Q为激光的有效功率，R为激光光斑半径，H表示热源深度，η为材料对激光的吸收系数。
5.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法，其特征在于：步骤(4)中，所述针对不可压缩的粘性流体，添加质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程:
质量守恒方程
动量守恒方程
能量守恒方程
式中ρ为材料密度,M为质量方程源项,为熔体流动速度,μ为熔体粘度,P为压强,F为体积力,k为热导率,SH为能量方程源项。
6.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法，其特征在于：步骤(5)中，所述激光熔池相互作用受力源项的添加包含热浮力、熔体汽化反冲压力和Marangoni力；
热浮力
表面张力和反冲压力转化体积力
式中Fb表示熔体浮力,ρ为材料处于熔点时的密度,β为材料的热膨胀系数,T为熔池当前温度,Tm为材料熔点,σij为i,j两相的表面张力,ki为界面处的曲率半径,为界面处的法向量,ρi为i相的密度，ρj为j相的密度。
7.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法，其特征在于：步骤(6)中，所述利用ANSYS Fluent 16.0软件对流场计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的迭代精度为止，完成激光选区熔化单道熔池动态成形数值模拟:
初始条件：T(x,y,z,0)＝T０
u＝v＝w＝0
边界条件：
qc＝hc(Ｔ-Ta)
式中qc为对流换热，qr为辐射换热，Ta为环境温度，ε为辐射系数，KB为玻尔兹曼常数，hc表示对流换热系数，u，v，w分别为质量、动量和能量。
8.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中表面粗糙度控制方法，其特征在于：步骤(7)中，所述利用NRD-SLM-300型激光选区熔化设备选区部分参数对模型进行验证,实验的工艺参数范围为：粉层厚度为40μm，激光功率200-400W，扫描速率0.4-1.6m/s。
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CN109513924B (zh) 2021-07-20

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