合金钢激光熔化沉积成形温度场和应力场有限元分析

【摘要】：激光增材制造技术是集数字化技术、制造技术、激光技术及新材料技术为一体的先进制造技术。与传统制造技术如切削加工、铸造、锻造技术相比,它具有快速、高柔性、无模具、自动化等优点,在航空航天、医疗、军工等领域得到了广泛的应用。以同步送粉为特征的激光熔化成形技术是由快速成形技术和激光熔覆技术结合发展而来,通过大功率激光将同种或不同种的粉末熔化,逐道逐层堆积成形。虽然对激光熔化成形技术开展了许多研究,但是在成形过程中仍存在翘曲变形、熔合不良、尺寸精度不高、开裂等宏观缺陷,内部也容易产生气孔、夹杂、裂纹等微观缺陷,尤其合金钢材料更为明显。为了克服成形过程中的缺陷,针对合金钢激光熔化沉积成形过程中非平衡循环固态相变、温度和应力演化规律等关键基础问题展开研究。借鉴焊接及冶金领域经验,选取X20Cr1 3马氏体不锈钢和316L奥氏体不锈钢两种常用于激光熔化沉积的具有代表性的合金钢为研究对象,基于数值传热学、热力学、弹塑性力学及连续冷却相变动力学等相关理论,利用SYSWELD有限元软件对激光熔化沉积成形过程中单道、逐道、逐层过程温度场和应力场进行数值分析。完成的主要工作如下:一、基于三维瞬态傅里叶定律和激光熔化机理,建立激光热源模型;用变密度分区技术构建基板和熔道的有限元网格;利用生死单元法逐道逐层激活单元来模拟X20Cr13和316L合金钢在激光熔化沉积成形过程中温度的演化规律。结果表明:(1)在相同的工艺参数条件下,两种合金钢在单层单道激光熔化沉积成形过程中温度演化规律基本一致;(2)揭示了激光功率、扫描速度、扫描方式、搭接率对X20Cr13温度分布的影响机制;(3)发现了 X20Cr 13多层多道激光熔化过程中温度场分布具有“三维效应”。二、基于连续冷却马氏体相变K-M公式,建立相变模型;考虑相变体积效应和相变塑性效应,基于米塞斯屈服准则、法向流动准则、等向强化模型,利用热-相变-力耦合数值模拟方法,求解X20Cr13和316L合金钢激光熔化沉积成形应力场。结果表明:(1)在相同的工艺参数条件下,两种合金钢在单层单道、单层多道过程中应力演化规律截然不同,马氏体相变对于X20Cr13应力演化有重要影响,且相变应力与热应力的作用方向相反;(2)揭示了激光功率、扫描速度、扫描路径、搭接率、预热基板对X20Cr13分布变化规律,获得了残余应力最小的最佳工艺组合;(3)发现了 X20Cr13多层多道熔化沉积成形的残余应力分布特点。三、对X20Cr13激光熔化沉积成形过程中温度场进行了数值模拟,依据材料熔点获得熔池形貌,进一步分析了位移场,并与实验进行了对照,从定性上验证了工艺模拟的合理性。