摘要
选择性激光熔化(SLM)是一种应用广泛的增材制造技术，TC4钛台金具有低密度、高强度、比强度高的特点，是一种广为应用的航空航天重要材料。由于SLM成形TC4过程熔池温度变化快，且熔池内部变化难以观测，导致仅以实验的方式研究SLM TC4材料变化机理难度较大、较难保证结构强度，限制了其制备零件性能的进一步提升尤其是在航空发动机叶片这种苛刻场合。因此，如何对SLM成形TC4叶片过程中温度场、相场变化机理研究成为了热点问题。近年来大量专家学者采用仿真的方式对成形试件进行了研究。怛就钛台金叶片SLM工艺参数对成形件的熔池形貌、金相组织的仿真预测精度这一方面的研究，目前尚有一些不足存在。因此，本文建立了一套由粉末到熔池再到金相组织的仿真方法，并在仿真和实验基础上对工艺参数进行优化和叶片制备。本文的主要内容和获得的重要结论为： (1)采用最速下降和坐标轮换相结合的最优化方法对粉末排布进行模拟，避免了传统粉末建模方法中摩擦因数的估计造成的误差。该方法获得的粉末模型相对密度47.3％与实验结果51.2%较为接近。 (2)采用射线追踪法对激光在粉末当中的传播进行追踪，获取粉末当中能量的分布情况，对能量分布进行分析，发现其在水平方向近似高斯分布，在深度方向受粉末影响，能量分布随深度增加先增后减。考虑束腰半径变化对热源在水平方向分布的影响建立热源模型。与传统热源相比，本文热源模型具有更小的损失函数。 (3)采用该热源模型，考虑热辐射、热对流、粉末熔凝前后厚度变化等的影响对SLM TC4过程进行有限元温度场仿真，通过实验对比发现熔池连接处宽度误差为9.6％，与传统方法仿真结果的误差14％相比，误差减少了4.4％。 (4)以本文获取的温度场为基础，采用周围8单元的方式，以温度梯度和周边已凝固相数量多少为判定条件决定元胞捕获概率，采用python语言进行元胞自动机模型建模，模拟了SLM成形TC4过程中金相的变化过程。模拟得出的金相组织与实验结果接近。 (5)在仿真结果的基础上设计正交试验，提出“先降维后升维”的优化方法，采用优化后的工艺参数进行实验，综台性能评价为0.734，高于传统正交试验极差分析得出的优化结果。
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