摘要
选择性激光熔化（SLM）由于能够快速成形结构复杂的金属零部件受到了大量研究人员的关注与研究。然而7075铝合金在SLM成形过程中易形成孔洞和裂纹等缺陷限制了其应用。为优化工艺区间、减少样件开裂情况提供理论支持，本文采用有限元软件ANSYSAPDL19.0对SLM成形7075铝合金过程的热-力耦合场进行了数值模拟，分析了成形过程中热行为及应力分布情况，研究了不同工艺参数对其影响；并进行了实验验证，总结了成形样件的缺陷种类，研究了不同工艺参数对样件的影响。主要研究内容和结果如下： （1）研究了成形过程中一层一道、一层五道以及两层两道温度场的变化规律。当激光束从点1移动到点3的过程中，冷却速率逐渐增大；当激光束从第一道移动到第五道时，熔池中心的峰值温度先降低后增加，冷却速率先增大后减小；当激光束从第一层移动到第二层时，冷却速率加快。获得了不同工艺参数对热行为分布的影响。随着激光功率的增大或者扫描速度的减小，熔池中心的峰值温度逐渐升高，液相存在的时间逐渐增加；而随着激光功率或者扫描速度的增大，冷却速率逐渐加快。实际成形样件的熔池尺寸小于模拟的熔池尺寸。 （2）研究了成形过程中一层三道应力场的变化规律。在激光束扫过之后，表面最大应力位于熔池的后方已成形的实体区域。获得了不同工艺参数对残余应力分布的影响。随着激光功率或者扫描速度的增大，残余应力逐渐增大。表面最大残余应力位于熔池搭接区域，且沿扫描方向的应力值σx大于沿其法向方向的应力值σy。由短扫描矢量组成的分区扫描方式的残余应力小于由长扫描矢量组成的不分区扫描方式。 （3）总结了成形样件中的缺陷种类，主要包括表面质量低、孔隙以及裂纹等。孔隙包括未熔合冶金缺陷、匙孔以及气孔，裂纹包括凝固裂纹和液化裂纹。所成形样件中主要含α-Al基体、η’/η-MgZn2相以及S-Al2CuMg相。其微观组织为贯穿多个熔池的柱状晶，柱状晶内部由胞状组织组成，且在胞状组织之间存在弥散分布的细小颗粒。 （4）获得了不同工艺参数对样件的成形质量以及微观组织的影响。与面式和条带式扫描策略相比，采用棋盘式成形的样件具有更低的孔隙率和更少的裂纹数量，但其胞状组织尺寸较大。随着激光功率的增大，未熔合冶金缺陷逐渐减少直至消失，裂纹数量逐渐增加，熔池边界区域的孔洞缺陷的密集程度逐渐减小，熔池边界特征逐渐变得不明显，柱状晶内部的胞状组织尺寸逐渐增大，胞状组织之间的部分气孔缺陷的尺寸也随之增大。随着扫描速度的增大，匙孔数量逐渐减少，裂纹数量逐渐增加，熔池边界区域的孔洞缺陷的密集程度逐渐增加，熔池边界特征逐渐变得明显，柱状晶内部的胞状组织尺寸逐渐减小，胞状组织之间的部分气孔缺陷的尺寸也随之减小。
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