CN113523302A - 选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法 - Google Patents

选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法，属于金属选区激光熔化技术领域，所述方法包括以下步骤：通过温度场仿真构建SLM成型镁合金工艺参数与温度关系的三维云图模型。利用气体动力学与热力学理论，计算SLM成型镁合金过程中不同温度下Mg元素烧损速率。通过温度与工艺参数之间的关系模型和温度与元素烧损速率之间的关系模型，最终建立工艺参数与元素烧损速率之间的关系模型。所述方法通过对成型工艺参数与烧损速率的仿真优化出对AZ91D镁合金的工艺参数窗口，有效抑制了SLM成型镁合金过程中Mg元素的烧损行为。

Description

选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法
技术领域
本发明涉及金属选区激光熔化技术领域，尤其涉及一种选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法。
背景技术
随着能源资源问题的显著化和对环境保护的重视，越来越多的像钛合金、镁合金等轻型合金材料被广泛应用。镁合金密度只有1.74g/cm3，其密度为铝的67％，钢的23％，航空航天发展水平是国家科技实力的重要体现，镁合金作为金属结构材料中最轻的一种，具有比强度和刚度高、耐振性和耐冲击性好、切削加工性能优异等特点，在航空航天领域具有重要的应用价值，同时镁合金材料结合了可降解材料的优点，在医用材料上也有较好的应用前景。
选区激光熔融(Selective Laser Melting,SLM)是一种有发展潜力的高性能、短流程的制造技术，突破了形状的制约，然而，目前在成型钛合金、不锈钢等金属材料上已经比较成熟，但在成型镁合金的技术还处于发展阶段。由于镁合金中Mg元素的蒸汽压较高，熔沸点较低，在高能量激光束作用时极易出现烧损行为并产生大量烟尘，导致机器不能长时间工作，随着镁元素的烧损蒸发，合金元素的质量分数都有着不同程度的变化，并且元素的烧损现象会导致孔隙率增大，制约了激光增材制造可达到的最大致密度，造成镁合金力学性能较差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够确定出适用于选区激光熔化成型镁合金的工艺参数窗口，从而解决SLM成型镁合金过程中Mg元素烧损严重问题的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：通过温度场模拟构建SLM成型镁合金工艺参数与温度关系的三维曲面模型；
S2：利用气体动力学与热力学理论，对SLM成型镁合金过程中不同熔池温度下Mg元素的烧损速率区间进行划分，包括Mg元素的不烧损区、低烧损速率区与高烧损速率区；
S3：通过温度场模拟得出激光功率与烧损速率关系、扫描速度与烧损速率关系的二维曲线模型，最终通过联合激光功率、扫描速度与烧损速率关系构建工艺参数与烧损速率关系的三维曲面模型；
S4：利用选区激光熔化成型设备，对镁合金进行成型验证，在优化工艺参数窗口下进行成型验证，并检测成型试件的拉伸力学性能。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法通过使用参数化设计语言APDL，定义选区激光熔化成型镁合金过程中粉末环境、激光热源模型与激光扫描路径，模拟不同工艺参数对AZ91D镁合金熔池温度的影响，得到不同激光功率与扫描速度组合下工艺参数与熔池温度关系的三维曲面模型。根据气体动力学与热力学理论，计算出SLM成型镁合金过程中Mg元素烧损速率与饱和蒸气压关系、饱和蒸气压与温度关系，使用MATLAB软件拟合出镁元素与铝元素烧损速率与温度之间的关系曲线，得到镁合金中元素烧损急剧增长的具体温度点，确定SLM成型镁合金过程中Mg元素在不同温度下的不烧损区、低烧损速率区与高烧损速率区。通过温度场模拟得出激光功率与烧损速率关系、扫描速度与烧损速率关系的二维曲线模型，最终通过联合激光功率、扫描速度与烧损速率关系构建工艺参数与烧损速率关系的三维曲面模型，并通过SLM成型镁合金验证，在该工艺参数窗口激光功率P为70～90W，扫描速度V＝300～500mm/s区间内Mg元素烧损速率较小。而且在激光功率为85W，扫描速度为400mm/s下，试件的平均抗拉强度为324.1MPa，延伸率为10.12％。确定出适用于选区激光熔化成型镁合金的工艺参数窗口，从而解决了SLM成型镁合金过程中Mg元素烧损严重的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实例中粉末床模型示意图；
图2a-图2c为本发明实例中激光光斑高斯热源模型加载示意图；
图3为本发明实例中激光扫描路径示意图；
图4a-图4d为图3仿真镁合金SLM成型过程的熔池温度云图；
图5a-图5b为本发明实例中提供的一种工艺参数与熔池温度关系的模型图；
图6为本发明实例中提供的一种镁合金中元素烧损速率与温度关系的模型图
图7为本发明实例中提供的一种Mg元素烧损速率与温度关系的模型图；
图8a-图8b为本发明实例中提供的激光功率、扫描速度与Mg元素烧损速率关系的模型图；
图9为本发明实例中提供的一种工艺参数与Mg元素烧损速率的三维关系模型图；
图10a-图10d为本发明实例中提供的不同工艺参数对SLM成型镁合金烧损烟尘抑制的实际成型效果；
图11为本发明实施例所述方法的流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图11所示，本发明公开了一种选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法，包括如下步骤：
S1：利用ANSYS软件定义选区激光熔化成型镁合金过程中粉末床环境、激光热源模型与激光扫描路径，模拟不同工艺参数对熔池温度的影响，最终得到工艺参数与温度关系的三维曲面模型。
S2：利用气体动力学与热力学理论，计算SLM成型镁合金过程中各元素烧损速率，利用MATLAB软件拟合出镁元素和铝元素烧损速率与温度之间的关系曲线，得到镁合金中元素烧损急剧增长的具体温度点，确定SLM成型镁合金过程中Mg元素在不同温度下的不烧损区、低烧损速率区与高烧损速率区。
S3：通过温度场模拟得出激光功率与烧损速率关系、扫描速度与烧损速率关系的二维曲线模型，最终通过联合激光功率、扫描速度与烧损速率关系构建工艺参数与烧损速率关系的三维曲面模型。
S4：利用选区激光熔化成型设备，对AZ91D镁合金进行成型验证，在工艺参数窗口激光功率70～90W(每5W一个跨度)、扫描速度300～500mm/s(每50mm/s一个跨度)下进行成型验证，并检测成型试件的拉伸力学性能。
本发明提供的一种抑制选区激光熔化成型镁合金过程中Mg元素烧损的方法，与现有技术相比，通过使用参数化设计语言APDL定义SLM成型镁合金过程中粉末成型尺寸1.2mm×0.495mm×0.2mm与基板尺寸1.6mm×0.895mm×0.5mm，粉末层厚为50μm，划分网格为SOLID70单元，激光定义为高斯热源模型，激光扫描方式为蛇形往复扫描，模拟激光共扫描8道，扫描间距为0.060mm，每道宽0.075mm，每道31步。通过模拟不同工艺参数对AZ91D镁合金熔池温度的影响，得到不同激光功率与扫描速度组合下工艺参数与熔池温度关系的三维曲面模型。根据气体动力学与热力学理论，计算出SLM成型镁合金过程中Mg元素烧损速率与饱和蒸气压关系、饱和蒸气压与温度关系，使用MATLAB软件拟合出镁元素与铝元素烧损速率与温度之间的关系曲线，得到镁合金中元素烧损急剧增长的具体温度点，最终确定SLM成型镁合金过程中Mg元素在不同温度下的不烧损区、低烧损速率区与高烧损速率区。通过温度场模拟得出激光功率与烧损速率关系、扫描速度与烧损速率关系的二维曲线模型，最终通过联合激光功率、扫描速度与烧损速率关系构建工艺参数与烧损速率关系的三维曲面模型，并通过SLM成型镁合金验证，在该工艺参数窗口激光功率P为70～90W，扫描速度V＝300～500mm/s区间内Mg元素烧损速率较小。而且在激光功率为85W，扫描速度为400mm/s下，试件的平均抗拉强度为324.1MPa，延伸率为10.12％。确定出适用于选区激光熔化成型镁合金的工艺参数窗口，有效抑制了SLM成型镁合金过程中烧损烟尘的产生，所成型镁合金试件的力学性能高于相同成分下采用铸造方式制备的镁合金试样，有效解决了SLM成型镁合金过程中Mg元素烧损严重的问题。
进一步的，在步骤S1中，选取不同粉末床环境、激光热源模型与激光扫描路径，以模拟不同SLM成型设备对镁合金的成型过程。
在实际对镁合金的SLM成型过程中，由于不同设备之间的激光器类型、激光光斑直径及系统扫描策略的差异，不同设备对相同成分的镁合金成型工艺参数往往难以通用。工艺参数实验是探究SLM成型镁合金烧损抑制的常用方法，然而工艺参数实验需要对激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉层厚及预热温度等多个成型参数进行考虑，试验工作量大，耗费人力物力较多。因此需根据成型设备的硬件信息，定义符合实际成型情况的仿真参数模拟成型过程中熔池温度变化，满足通过数字化仿真的方式寻找SLM成型镁合金工艺参数窗口的需求，实现一种SLM成型镁合金烧损抑制的方法。
SLM成型过程是一个局部受热快速熔化并快速凝固的过程，粉末在这个过程中瞬时经历了固态-液态-固态的相变过程，该过程一定会产生相变潜热，本文采用ANSYS处理相变问题常采用的热焓法。由于模型过大，增加计算时间，为了减小计算量，同时保证计算精度，对整个模型进行缩小，模型由镁合金基板和成型粉末组成，粉末的成型尺寸为1.2mm×0.495mm×0.2mm，共分为4层，每层层厚为50μm，基板尺寸为1.6mm×0.895mm×0.5mm，为了保证成型过程与实际相符合，在对粉末层与基板划分网格时，采用不同的划分方式。网格划分时采用SOLID70单元，成型层网格单元划分较为细密，单元尺寸为12.5μm×12.5μm×25μm，基板采用自由网格划分，单元大小为0.1mm，粉末床模型及网格划分参阅图1。
在SLM成型过程中，激光束以光斑形式照射在金属粉末上，考虑到激光加工能量较高，穿透性较强，因此本文在模拟时采用均匀分布的高斯体热源作为热源模型，该热源的特点为热流在垂直于激光束的表面上呈高斯分布，在深度方向上呈均匀分布，其表达式如公式(1)所示。
Figure BDA0003171943400000061
式中:K为热效率；P为激光功率；ω为光斑半径；r为光斑中心到金属粉末任意一点的距离；h为粉末层厚；
仿真过程中，将均匀分布的高斯体热源以生热率的形式施加到模型中，高斯热源简化及加载示意图参阅图2a-2c。
模拟过程中，假设高斯热源在水平面上近似的作用在6x6的单元上，即所作用区域宽为0.075mm，与实际激光光斑直径保持相同，在最中心的4个单元上施加的热流密度为最大值(图2a所示)，在APDL命令流中通过循环语句，以一定比例，分别向中心之外的4x4单元(图2b所示)及外围的6x6单元(图2c所示)施加热流密度。模拟激光共扫描8道，扫描间距为0.060mm，每道宽0.075mm，每道31步，采用蛇形往复的扫描方式进行扫描，其扫描路径示意参阅图3。
通过APDL参数化语言对不同类型的粉末床环境、激光热源模型与激光扫描路径进行定义，可模拟多种成型条件下工艺参数对SLM成型镁合金熔池温度的影响，不同位置点熔池温度云图参阅图4a-4d，工艺参数对熔池温度影响模型参阅图5a-5b。
进一步的，在步骤S2中，利用气体动力学与热力学理论，计算SLM成型镁合金过程中各元素烧损速率与饱和蒸气压、饱和蒸气压与温度的关系。
依据气体动力学与热力学理论，合金中某一元素的烧损速率Ji(g.cm-2.s-1)，可以通过Langmuir方程进行计算。具体参见公式(2)。
Figure BDA0003171943400000062
式中rx为合金熔体中的活度系数；Xx为元素x的摩尔分数；
Figure BDA0003171943400000063
为纯元素x的饱和蒸气压；Mx为元素x的摩尔质量；T为熔体热力学温度；
镁合金饱和蒸汽压和温度之间的关系，通过公式(3)和公式(4)计算，镁合金中锌元素和锰元素在合金中相对含量较低，因此在计算过程中忽略Zn元素和Mn元素的影响：
Figure BDA0003171943400000071
Figure BDA0003171943400000072
联合公式(1)，可以得到镁合金中元素烧损速率与温度之间的关系，具体参见公式(5)和公式(6)：
Figure BDA0003171943400000073
Figure BDA0003171943400000074
利用MATLAB软件拟合出镁元素和铝元素烧损速率与温度之间的关系如附图6所示，可以看出，当温度达到镁元素熔点(924K)时，镁元素开始发生烧损，当温度达到铝元素熔点(933K)时，铝元素未发生烧损，主要由于当温度达到镁元素熔点温度时，镁元素蒸汽压为365Pa，而铝元素蒸汽压为4.45x10-7Pa，可见镁元素蒸汽压远远大于铝元素蒸汽压，因此镁元素在达到熔点后便发生烧损。由图6可以看出，当温度超过1550K时，铝元素开始烧损，在温度小于1550K时，主要烧损元素为镁元素。并且当温度高于1550K时，镁元素烧损速率接近直线形式增长，因此，根据镁铝元素烧损特点将镁元素烧损速率分为不烧损区、低烧损速率区、高烧损速率区三个区域，Mg元素烧损速率与温度之间关系模型参阅图7。
进一步的，在步骤S3中，根据步骤S1与步骤S2仿真与计算成果，拟合不同激光功率与扫描速度下镁合金烧损速率二维曲线模型，以及工艺参数窗口对烧损速率影响的三维曲面模型。
元素的烧损速率随着温度的增加而增大，在扫描速度一定时，温度随着激光功率的增加而增大；在激光功率一定时，温度随着扫描速度的增加而减小。元素烧损速率与工艺参数之间是通过温度相关联的，因此通过温度场模拟得出温度与工艺参数的关系，进而建立元素烧损速率与工艺参数之间的关系。
首先以扫描速度V＝400mm/s，不同激光功率下镁元素烧损速率变化规律，由图8a可以看出当扫描速度一定时，随着激光功率的增加，烧损速率呈指数形式增大。图8b为激光功率P＝90W，不同扫描速度下镁元素烧损速率变化规律曲线，由图可以看出当激光功率一定时，随着扫描速度的增大，熔池温度随着降低，元素烧损速率呈指数形式减小。
为得到镁合金工艺参数对烧损速率影响关系模型，对温度场仿真得到工艺参数窗口进行烧损速率计算。绘制激光功率70-110W(每10W一个间隔)，扫描速度100～500mm/s(每100mm/s一个间隔)工艺参数窗口下的烧损速率关系模型，详细关系模型参阅图9。可以看出，当激光功率大于90W时，在扫描速度100～500mm/s范围内，镁元素烧损速率均较大，均分布在高烧损速率区，在该范围内成型，烧损加剧，烟尘量大，对成型质量及机器长时间工作产生较大影响，当激光功率为90W时，在扫描速度小于200mm/s时，镁元素烧损速率也相对较大。在低激光功率，低扫描速度下，虽然也能有效降低烧损速率，但过慢的扫描速度会导致热能量过大，容易出现烧结线结疤、孔隙等成型缺陷，而且延长成型时间，降低制件效率，增加成本，因此综合成型效率可以看出在激光功率为70～90W，扫描速度为300～500mm/s的工艺参数区间内，镁元素烧损速率相对较小，可以有效减少烧损发生。
进一步的，在步骤S4中，利用选区激光熔化设备成型AZ91D镁合金拉伸试件，测试所仿真工艺参数窗口内镁合金试件力学性能。
拉伸实验表明，在高烧损速率区图10a和图10c中的抗拉强度分别为285.4MPa和288.7MPa，延伸率为6.0％和6.01％，而在低烧损速率区，激光功率为85W，扫描速度为400mm/s下，试件的平均抗拉强度为324.1MPa，延伸率为10.12％，较在高烧损区域上抗拉强度提高了12.3％，延伸率提高了68.4％。
其中，图10a为P＝110W，V＝200mm/s时实际成型效果，图10b为P＝90W，V＝400mm/s时实际成型效果，图10c为P＝100W，V＝200mm/s时实际成型效果，图10d为P＝85W，V＝400mm/s时实际成型效果。
综上本发明所述方法，通过对成型过程中不同工艺参数下熔池温度的仿真、烧损速率的计算，获得SLM成型镁合金过程中工艺参数与Mg元素烧损速率的模型，确定了Mg元素烧损速率较低的工艺参数区间，有效抑制了SLM成型镁合金过程中Mg元素的烧损行为。

Claims (6)

1.一种选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：通过温度场模拟构建SLM成型镁合金工艺参数与温度关系的三维曲面模型；
S2：利用气体动力学与热力学理论，对SLM成型镁合金过程中不同熔池温度下Mg元素的烧损速率区间进行划分，包括Mg元素的不烧损区、低烧损速率区与高烧损速率区；
S3：通过温度场模拟得出激光功率与烧损速率关系、扫描速度与烧损速率关系的二维曲线模型，最终通过联合激光功率、扫描速度与烧损速率关系构建工艺参数与烧损速率关系的三维曲面模型；
S4：利用选区激光熔化成型设备，对镁合金进行成型验证，在优化工艺参数窗口下进行成型验证，并检测成型试件的拉伸力学性能。
2.如权利要求1所述的选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法，其特征在于所述方法具体包括如下步骤：
S1：利用ANSYS软件定义选区激光熔化成型镁合金过程中粉末床环境、激光热源模型与激光扫描路径，模拟不同工艺参数对熔池温度的影响，最终得到工艺参数与温度关系的三维曲面模型；
S2：利用气体动力学与热力学理论，计算SLM成型镁合金过程中各元素烧损速率，利用MATLAB软件拟合出镁元素和铝元素烧损速率与温度之间的关系曲线，得到镁合金中元素烧损急剧增长的具体温度点，确定SLM成型镁合金过程中Mg元素在不同温度下的不烧损区、低烧损速率区与高烧损速率区。
S3：通过温度场模拟得出激光功率与烧损速率关系、扫描速度与烧损速率关系的二维曲线模型，最终通过联合激光功率、扫描速度与烧损速率关系构建工艺参数与烧损速率关系的三维曲面模型；
S4：利用选区激光熔化成型设备，对AZ91D镁合金进行成型验证，在工艺参数窗口激光功率70～90W，每5W一个跨度、扫描速度300～500mm/s，每50mm/s一个跨度，下进行成型验证，并检测成型试件的拉伸力学性能。
3.如权利要求1所述的选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法，其特征在于所述的步骤S1中：
在SLM成型过程中，激光束以光斑形式照射在金属粉末上，在模拟时采用均匀分布的高斯体热源作为热源模型，该热源的特点为热流在垂直于激光束的表面上呈高斯分布，在深度方向上呈均匀分布，其表达式如公式(1)所示：
Figure FDA0003171943390000021
式中:K为热效率；P为激光功率；ω为光斑半径；r为光斑中心到金属粉末任意一点的距离；h为粉末层厚；
仿真过程中，将均匀分布的高斯体热源以生热率的形式施加到模型中，模拟过程中，假设高斯热源在水平面上近似的作用在6x6的单元上，即所作用区域宽为0.075mm，与实际激光光斑直径保持相同，在最中心的4个单元上施加的热流密度为最大值，在APDL命令流中通过循环语句，以一定比例，分别向中心之外的4x4单元及外围的6x6单元施加热流密度；模拟激光共扫描8道，扫描间距为0.060mm，每道宽0.075mm，每道31步，采用蛇形往复的扫描方式进行扫描；
通过APDL参数化语言对不同类型的粉末床环境、激光热源模型与激光扫描路径进行定义，模拟多种成型条件下工艺参数对SLM成型镁合金熔池温度的影响。
4.如权利要求1所述的选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法，其特征在于所述步骤S2中：
依据气体动力学与热力学理论，合金中某一元素的烧损速率Ji(g.cm-2.s-1)，可以通过Langmuir方程进行计算，具体参见公式(2)：
Figure FDA0003171943390000022
式中：rx为合金熔体中的活度系数；Xx为元素x的摩尔分数；
Figure FDA0003171943390000023
为纯元素x的饱和蒸气压；Mx为元素x的摩尔质量；T为熔体热力学温度；
镁合金饱和蒸汽压和温度之间的关系，通过公式(3)和公式(4)计算，镁合金中锌元素和锰元素在合金中相对含量较低，因此在计算过程中忽略Zn元素和Mn元素的影响：
Figure FDA0003171943390000031
Figure FDA0003171943390000032
联合公式(1)，可以得到镁合金中元素烧损速率与温度之间的关系，具体参见公式(5)和公式(6)：
Figure FDA0003171943390000033
Figure FDA0003171943390000034
利用MATLAB软件拟合出镁元素和铝元素烧损速率与温度之间的关系如当温度达到镁元素熔点924K时，镁元素开始发生烧损，当温度达到铝元素熔点933K时，铝元素未发生烧损，主要由于当温度达到镁元素熔点温度时，镁元素蒸汽压为365Pa，而铝元素蒸汽压为4.45x10-7Pa，可见镁元素蒸汽压远远大于铝元素蒸汽压，因此镁元素在达到熔点后便发生烧损；当温度超过1550K时，铝元素开始烧损，在温度小于1550K时，主要烧损元素为镁元素；并且当温度高于1550K时，镁元素烧损速率接近直线形式增长，因此，根据镁铝元素烧损特点将镁元素烧损速率分为不烧损区、低烧损速率区、高烧损速率区三个区域。
5.如权利要求1所述的选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法，其特征在于所述步骤S3中：
元素的烧损速率随着温度的增加而增大，在扫描速度一定时，温度随着激光功率的增加而增大；在激光功率一定时，温度随着扫描速度的增加而减小；元素烧损速率与工艺参数之间是通过温度相关联的，因此通过温度场模拟得出温度与工艺参数的关系，进而建立元素烧损速率与工艺参数之间的关系；
绘制激光功率70-110W，每10W一个间隔，扫描速度100～500mm/s，每100mm/s一个间隔，工艺参数窗口下的烧损速率关系模型，当激光功率大于90W时，在扫描速度100～500mm/s范围内，镁元素烧损速率均较大，均分布在高烧损速率区，在该范围内成型，烧损加剧，烟尘量大，对成型质量及机器长时间工作产生较大影响，当激光功率为90W时，在扫描速度小于200mm/s时，镁元素烧损速率也相对较大；在低激光功率，低扫描速度下，虽然也能有效降低烧损速率，但过慢的扫描速度会导致热能量过大，容易出现烧结线结疤、孔隙等成型缺陷，而且延长成型时间，降低制件效率，增加成本，因此综合成型效率可以看出在激光功率为70～90W，扫描速度为300～500mm/s的工艺参数区间内，镁元素烧损速率相对较小，可以有效减少烧损发生。
6.如权利要求1所述的选区激光熔化成型镁合金烧损的抑制方法，其特征在于所述步骤S4中，利用选区激光熔化设备成型AZ91D镁合金拉伸试件，测试所仿真工艺参数窗口内镁合金试件力学性能。
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