摘要
SLM技术是以金属粉末为材料，旨在快速成形具有特定功能、复杂结构的零件，顺应了目前大力倡导的快速制造模式，摈弃了复杂、繁琐的加工工艺，缩短了零件的成形周期，极大地降低了加工过程中的资源浪费和生产成本。但SLM成形过程中工艺调试不当，会导致零件受热不均，出现球化、翘曲、孔隙、裂纹等缺陷，严重影响零件的组织性能，从而限制该技术的发展。基于此，本文首先利用ANSYS APDL实现了SLM成形过程数值模拟，探究了SLM3D打印过程中的热力行为，最后研究了工艺参数、扫描策略对试样的力学性能与组织演化的影响机制和作用机理。主要内容如下： （1）SLM成形过程热行为研究表明：单道扫描时，熔池的最高温度会逐渐上升，相邻道成形时，相邻两道间存在加热现象；TGX温度梯度呈现先增大后减少的趋势，TGY曲线显示温度梯度出现两次改向；激光功率、扫描速度和搭接率会影响熔池最高温度以及相邻道热作用次数；内螺旋扫描策略下，模型内部温度累计达到最高，棋盘扫描策略有利于降低温度累计，使温度分布均匀。 （2）SLM成形过程应力场研究表明：当热源远离时，已成形区域出现“冷缩”将受到高温热胀区的约束，从而产生拉应力，而随着热源的逐步靠近，该区域的温度回升会使拉应力得以释放，使拉应力逐渐向压应力演化；激光功率、扫描速度、搭接率以及扫描策略会影响热应力分布状态以及演化规律。不同成形工艺下，残余应力实验结果与模拟结果随成形工艺变化趋势基本一致，模拟结果能够大致反映等效残余应力随成形工艺而变化的规律。 （3）组织性能研究表明：光栅扫描、45°层旋转扫描下，熔道呈条形状，熔池呈“鱼鳞”状特征，熔池内的柱状晶会垂直熔池或与熔池线成一定夹角择优生；棋盘扫描策略下，棋盘分界线处左侧为条状、右侧为鱼鳞状的情形；不同成形策略对元素种类、物相成分影响不大，仅仅影响含量；光栅扫描符合韧性断裂特征，棋盘扫描属于准解理断裂，45°层旋转扫描下试样的断裂形式属于韧性断裂中的“滑移分离机理”。45°层旋转扫描时，拉伸性能最好，抗拉强度在750MPa左右、屈服强度为650MPa左右，延伸率达到50%以上，90°层旋转角下试样致密度最佳达到98.6%，0°层旋转角下试样的显微硬度最高达到231.8HV。
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