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《江苏大学》 2006年
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金属粉末激光直接烧结温度场的三维有限元模拟及实验研究

郭华锋  
【摘要】: 金属粉末激光直接烧结(Direct Metal Laser Sintering,DMLS)技术是选择性激光烧结技术的一个重要分支,由于无需任何工模具、不受零件几何形状限制、材料利用率高、生产周期短等优点极大地提高了生产柔性,日益成为先进制造技术的一个重要发展方向。 目前,球化效应和成形件翘曲变形是DMLS领域中急需解决的两大问题,集中输入的局部激光移动热源势必造成温度场的分布不稳定、不均衡,这样的温度场及其产生的热应力是导致成形件质量问题的根本原因。金属零件能否顺利成形及成形后的组织、性能的优劣直接取决于成形工艺参数的选择,因此要想正确选择成形工艺参数,获得形状规整、组织致密和性能优良的成形零件,就必须掌握DMLS工艺过程中温度场随时间的演变规律。本文主要针对DMLS温度场有限元模拟及相关实验从以下几个方面进行了深入的研究: 1.分析国内外DMLS工艺及温度场有限元模拟的发展现状及趋势,指出影响成形件质量的关键问题以及目前温度场有限元模拟的不足之处。 2.将ANSYS的“单元生死”技术引入到DMLS温度场的多层烧结模拟中,实现多层烧结材料的动态增长过程描述;同时还成功解决了激光热源的移动和加载、材料非线性的处理、相变潜热的处理、圆形光斑的处理等关键问题。 3.综合考虑热传导、热辐射、热对流以及材料的高度非线性,基于ANSYS平台建立了与DMLS实际工艺过程相一致的三维有限元模型,以Ni基合金粉末为烧结材料进行了温度场模拟。分析了激光熔池的加热冷却规律、各烧结道之间及各烧结层之间的相互影响规律,不同工艺参数对温度场的影响规律等,在此基础上选择合适了工艺参数。 4.实验以自熔性Ni基合金粉末为研究对象,以高功率激光器、JXA-840A电子探针分析仪、HVS-1000型显微硬度计为主要研究手段,分析了激光功率和扫描速度这两个最主要的工艺参数对金属粉末烧结成形性及球化效应的影响,利用优化的工艺参数成形了多层烧结件。最后测量了烧结深度、烧结宽度同时观察了成形件微观组织并与模拟结果进行了对比,结果表明模拟结果与实验结果吻合较好。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TF124.5

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