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选区激光熔化成形316L不锈钢流动规律及组织、性能研究

尹衍军  
【摘要】:选区激光熔化(selective laser melting,SLM)是增材制造中重要的成形方式之一,对于传统成形方式无法直接加工、需求量小、个性化明显的金属零部件,选区激光熔化具有明显的优势,目前已受到广泛关注。但SLM成形过程非常复杂,涉及多个物理场耦合,因此最优工艺参数难以确定。此外,对多物理场之间耦合机制缺乏准确的理解,导致其成形过程难以稳定控制,使成形质量一致性差,影响了其潜能发挥。本文通过对不同工艺参数下单层多道次实验的结果进行分析研究,利用有限元方法对微熔池内流场与温度场进行模拟仿真,并对成形后试样的微观组织结构及宏观力学性能展开研究。主要研究结果如下:以316L不锈钢粉末为研究对象,对不同工艺参数下单层多道次实验结果中的熔道特征(熔道形貌、熔池几何尺寸)进行观察、统计、分析。当输入能量密度小于70 J/mm3时易产生球化现象或不连续熔道;输入能量密度过大则会出现匙孔现象;当输入能量密度在100 J/mm3左右时,可得到连续稳定的熔道。通过构建BP神经网络,实现了熔池尺寸的预测,预测精度高于线性拟合方法的预测精度,利用此预测模型可以对实验工艺选择起到指导意义,从而避免盲目的通过经验和试错的方法来选择合适的工艺参数。选区激光熔化过程包含多个尺度、多种相互影响的物理过程,激光与材料的作用范围小,过程剧烈,实验手段观测研究难度大,这对厘清多个物理场之间相互作用的机理造成了困难,导致成形过程难以稳定控制。因此,利用有限元法对难以通过实验手段研究的熔池流动规律进行研究是一种行之有效的方法。通过对选区激光熔化过程中物理现象分析,对模型进行适当的简化,考虑材料相变潜热、Marangoni效应等因素,研究不同工艺参数对熔池形貌、温度场的影响及微熔池内流体的流动规律。此外,模型还考虑了表面活性元素硫,研究了硫含量的不同对熔池流场、温度场的影响规律。选区激光熔化成形试样的组织上由于晶粒外延生长而使晶粒多以柱状存在。当熔池浅而宽时,晶粒生长的择优取向为(001);当熔池形貌深而窄时,晶粒生长的择优取向为(110)。因此,可以通过工艺参数调整的方法来达到组织形态控制的目的。选区激光熔化成形的316L不锈钢微观组织具有特殊的胞状和柱状亚结构。亚结构中纳米尺度的细小结构、亚微米尺度的亚结构、微米尺度的晶粒和熔池与成形后的试件共同组成了选区激光熔化独特的多尺度结构。本文利用凝固理论对胞状亚结构的形成机理进行了解释,熔池凝固前沿大的温度梯度与快的凝固速度是形成胞状亚结构的主要原因。输入能量密度为100 J/mm3,不同激光功率与扫描速度打印的拉伸试样均具有较高的屈服强度和抗拉强度,且打印成形的试样由于组织存在取向关系,导致性能上存在差异。当激光功率为75 W、激光扫描速度为415 mm/s时,试样具有较高强度的同时,也具有较大的总延伸率(屈服强度:645 MPa,总延伸率:53%)。与传统方式得到的316L不锈钢相比,高位错密度(1.14×1015 m-2)是选区激光熔化成形316L不锈钢具有高强度的主要原因;其次,特殊的亚结构、大量界面、高比例小角度晶界是屈服强度高的另一些原因。尽管选区激光熔化成形的试样无法达到100%致密,孔隙作为裂纹源对材料力学性能起到负面作用,但在变形初期即发生并伴随整个塑性变形过程的孪生,保证了选区激光熔化成形的316L不锈钢具有良好的塑性,而不是过早的断裂。通过对316L不锈钢选区激光熔化工艺、微熔池流动规律、组织特点及宏观力学性能的研究,揭示了工艺对微观组织形态的影响规律及微观组织决定宏观性能的本质。而且本文的研究思路和方法也可以为其他粉末材料选区激光熔化的研究提供参考依据。


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