摘要
Ti6Al4V具有优异的力学性能和生物兼容性，在航空航天、医疗等行业备受关注，然而Ti6Al4V具有熔点高、抗变形力大等特点，不易加工。选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术能够克服这些困难，实现高精度、高自由度的成形。由于SLM成形过程涉及多物理场的耦合，采用实验方法优化工艺参数效率低，无法解释缺陷的形成机理。因此，本论文利用数值模拟方法分析了不同激光功率、扫描速度和扫描间距下的熔池特性，解释了球化、孔洞、粘粉和飞溅的形成机理，建立了“工艺参数-熔池特征-成形质量”的对应关系，对研究缺陷的形成机制和质量的预判有重要的意义。论文的主要工作如下: 1、基于离散单元法(Discrete Element Method，DEM)建立了粉末床模型，并利用有限体积法(Finite Volume Method，FVM)求解粉末尺度下SLM热流耦合模型，铺粉过程考虑Ti6Al4V金属粉末粒径和正态分布的特征，求解过程考虑材料的热物性参数（密度、比热、热导率和粘度）、热传导、热对流、热辐射、蒸发，相变潜热、表面张力、Marangoni效应、反冲压力、糊状区阻力、重力和热浮力等，实现了Ti6Al4V粉末受热-熔化-流动-凝固过程的三维动态模拟。 2、分析了SLM成形过程的两种机制，并研究了“匙孔”模式下的激光吸收率和激光穿透深度，结果表明激光吸收率为0.8、激光穿透深度为0.0625mm时，考虑反冲压力和蒸发的“匙孔”模式模拟的熔池宽度和深度更接近实验值。比较了三种热源模型对数值模拟结果的影响，结果得出与旋转高斯体热源和高斯体热源相比，双椭球体热源能够更好的模拟熔池尺寸。 3、查明了熔池动态演变的三个阶段。在初始阶段，反冲压力起主导作用;在稳定阶段，熔池主要受表面张力及其引起的Marangoni剪切力和蒸发反冲压力作用，并结合无量纲量定量解释了熔池内部的传热传质行为;在凝固阶段，当熔池温度低于蒸发温度后，反冲压力消失，Marangoni对流减弱，表面张力起主导作用。 4、探讨了不同激光功率、扫描速度下Ti6Al4V成形的温度特性和流动特性以及不同扫描间距下的搭接情况，研究表明当激光功率为250W、扫描速度为0.6m/s、扫描间距为60tm时，能够实现高质量的成形，模拟结果通过实验得到了验证。 5、分析了单道、双道模拟中能量密度对球化、孔洞、粘粉和飞溅等缺陷的影响规律，并揭示了SLM成形件冶金缺陷的形成机理与抑制方法。构建“工艺参数-熔池特征-成形质量”的表征关系，为SLM成形Ti6Al4V的工艺参数优化提供指导。
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