摘要
选择性激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）成形技术是新型增材制造技术的一个重要发展领域，SLM基于粉末层的制造工艺能够使用不同类型的材料（例如金属，陶瓷和复合材料）产生复杂的几何形状，在航空航天，医疗和能量存储中具有广阔的应用前景。然而，粉末熔合技术一直受到零件成形性能不稳定的阻碍，导致残余应力积累和出现飞溅、多孔、球化以及裂纹等缺陷。由于激光与粉末层的相互作用时间较短，熔池或熔体轨迹内部的动态行为与缺陷的形成机制难以在实验中表征。因此本文通过建立用于选择性激光熔化成形的高保真粉末尺度激光熔化模型，展现了粉末层从熔化、熔滴飞溅、熔道成形、冷却凝固的全过程。本文的主要内容及结论包括以下几方面： （1）以316L不锈钢粉末颗粒为原材料，利用基于离散单元法的仿真软件EDEM建立出与实际粉末相对应的随机分布粉末层模型，以Flow-3D软件为平台，加载上激光热源来实现激光热源作用在金属相与气相界面单元位置处的区域内，以实现选择性激光熔化过程的数值模拟，通过数值模拟手段获得粉末层在激光扫描过程中熔池受热熔化、熔滴飞溅、熔体流动、熔道凝固等一系列复杂的演化过程。 （2）研究了激光作用对粉末成形期间熔池动力学和缺陷形成的影响。熔滴飞溅行为是金属粉末层熔合工艺中难以避免的成形缺陷来源，借助数值模拟手段还原了激光熔合过程中飞溅现象的演变过程，克服了实际实验难以捕捉到熔池内部及熔滴飞溅行为定量表征的难题，获取到熔融液滴飞溅的变形机制以及飞溅过程中随时间变化的温度、速度、压力以及位置偏移等信息。结果显示：金属蒸气作用除了直接造成熔池凹陷外，还参与了熔体流动以及作为诱导熔滴飞溅的重要因素。熔池中能量愈高，熔体流动的不稳定性愈强，熔体在流动过程中容易出现孔隙和剥蚀等缺陷。高温熔体流速在1~6m/s之间，熔滴飞溅速度在1~4m/s之间。结合实验分析，追踪了熔滴飞溅的运动轨迹以及熔滴在空中飞溅时的“二次爆炸”与“旋球”行为。飞溅熔滴通过爆破的方式分裂成体积较小的子熔滴来释放多余能量，分裂后的熔滴飞溅速度降低，表现为实验中观察到的“二次爆炸”现象。球形液滴在熔池上方以“自旋”运动飞出熔池，证实了熔池周围的气体流动对熔滴飞溅的引导作用。模拟计算统计数据与实验记录的结果较为相符。 （3）研究了不同工艺参数（粉末层堆积密度、粉末粒径大小、激光功率、激光扫描速度）下熔池表面形貌及尺寸的变化规律，并分析了加工过程中热输入速率对成形过程中飞溅行为的影响规律，讨论了不同工艺参数和不同粉末配置条件下温度场的分布状况、熔池形貌等。结果显示，金属蒸气作用与惰性气体流动共同驱动了熔池流动与熔滴的飞溅行为，随着工艺参数的调整，飞溅熔滴的体积形态与飞溅方向均发生变化，在激光功率100W≤P≤150W，激光移动速度1100~2000mm/s之间的工艺参数窗口内，飞溅物对成形平面的影响较小。 （4）利用模型中所设置的工艺参数进行单道重熔扫描实验和多道扫描实验，获得相应工艺条件下的熔池几何尺寸数据和熔池熔化过程的动态特征。分析了激光重熔过程中致密化和消除残留孔的机理。激光原位重熔可以高效地提高SLM制造的部件的密度。实现了选择性激光熔化单层多道的模拟过程。结果表明，随着扫描道数的增加，后续激光扫描迹线熔合的固化轨道宽度会明显大于从初始扫描阶段的固化轨道宽度。单一方向扫描在成形平面需要熔化的道数增多时，容易导致成形区域的边缘不平直，影响成形尺寸的准确度，而相反方向的扫描方式使相邻的熔道间尺寸互补，可以减弱熔体流动对成形尺寸的影响。
NETL