激光增材制造316L不锈钢工艺参数优化模拟分析研究材料学专业.docx

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1、目录摘要2Abstract2第1章绪论31.1 激光增材制造技术的简介31.2 LENS成形金属零件的国内外研究现状41.3 LENS成形金属零件存在的问题以及解决措施61.4 本文研究思路7第2章有限元热分析理论基础与模型建立92.1有限元传热理论模型92.2有限元热弹塑性理论模型102.3物理模型建立122.3.1模型假设122.3.2结构单元的选择131.1.1 3.3材料热物性参数131.3.4 几何模型的建立与网格划分141.3.5 激光热源模型142. 4采用ANSYS的关键技术152.1.1 生死单元法152.1.2 激光热源模型的加载16第3章LENS熔覆层温度场及应力场计算分

2、析173. 1正交实验法的介绍与设计173.2温度场模拟计算181.1 3应力场模拟计算203.4 正交实验结果的分析与讨论223.5 优化结果的验证与分析26第4章结论30参考文献31致谢错误!未定义书签。2激光近净成形技术(Iaserengineerednetshaping,LENS)是增材制造中具有代表性的一种先进制造工艺，可以制造具有复杂结构和性能优异的金属零件。然而，利用该技术在成形金属零件时，由于局部急冷急热的特点，会在成形零件内部出现较大残余应力，进而影响零件的力学性能与精度。因此探索如何减小残余应力在激光增材制造领域中具有重大的研究意义。本文利用ANSYS软件模拟LENS成形金

3、属零件的过程，并对成形过程中的温度场和应力场进行分析。采用正交实验法来探究激光工艺参数(如：激光功率，扫描速度与光斑直径)对残余应力的影响规律，并且研究各个参数对残余应力的影响权重，最后找出最优参数。得到最优的参数组合是：激光功率IO(X)W,扫描速度5机燧，光斑直径2.5如，此时熔覆层上的残余应力为192MR?。关键字：增材制造，LENS,数值模拟，正交实验Abstract1.aserengineerednetshaping(LENS),whichisasatypicalrepresentativeofadditivemanufacturing,canfabricatemetalpartsw

4、ithcomplexstructureandfineproperties.However,theresidualstressinthemetalpartswillbeproducedinmanufacturingprocessduetothefeaturesoflocalhightemperatureandfastcoolingrate,whichwillhaveabadeffectonthemechanicalpropertiesandprecisionofmetalparts.Therefore,itisimportanttoexplorehowtoreduceresidualstress

5、inmetalparts.ANSYSsoftwarewasusedtosimulatetheLENSprocessofmetalpartsanditstemperaturefieldsandresidualstressfieldswerealsoinvestigated.Adoptingorthogonalexperiments,theeffectsoflaserparameterssuchaslaserpower,scanningspeedandspotdiameterontheresidualstressdistributionsincladdinglayerswereanalyzedan

6、dtheinfluenceweightofdifferentparameterswerealsoexplored.Accordingtotheresults,thebestparameterscombinationwaslaserpowerI(XX)卬，scanningspeed5tnnsandspotdiameterwas2.5mm,whichcanleadtotheminimumresidualstress(192MPa)inmetalpartsdepositedbyLENS.Keywords:AdditiveManufacturing,LENS,ANSYSSimulation,Ortho

7、gonalExperiment第1章绪论1.l激光增材制造技术的简介激光增材制造技术(AdditiVeManUfaCtUring,AM)俗称3D打印，该技术是基于离散堆积原理，以计算机辅助制造，设计为基础，通过将三维数字模型逐层离散化处理，通过逐层累积的方式来成形金属零件。具体来说，激光增材制造技术在成形金属筌件的过程中，以激光为热源，由送粉装置将金属粉末送入激光产生的熔池中，基于零件单层的数据，数控系统会引导激光喷嘴和工作台的相互移动,形成单道熔覆层，再通过逐层堆积成形金属零件川阀网M,6。这种制备工艺具有以下几种优势：产品设计制造周期短,提高生产效率，同时采用“加法制造”，提高材料利用率，

8、降低生产成本,提高产品竞争力；。成型零件的复杂程度对加工难度影响较小，可以实现任意复杂零件的加工制造；通过激光增材制造方法成形的零件，具有良好的组织和力学性能。激光增材制造技术是一门结合了机械，计算机，材料等多学科的交叉技术，突破了传统工艺成形金属零件的限制，成为当今世界热点课题，具有广阔的应用前景。本文采用的一种是基于同轴送粉的激光近净成型技术(IaSerengineerednetshaping,LENS)oLENS是激光增材制造中非常典型的一种技术，它可以直接成形全致密的金属零件，且其成形的零件性能达到甚至优于锻造零件的性能网。LENS的工作原理具体是在成型过程中，利用喷嘴将粉末聚集在工作

9、台表面上，同时激光束也聚集在该点，使得光粉的作用点重合。这时，粉末熔化形成熔池，通过工作台与激光头相互的移动，形成单道熔覆层。经过逐层累积，形成熔覆实体零件叫图1.1LENS原理示意图1.21.3 1.ENS成形金属零件的国内外研究现状西方发达国家最早开展LENS技术的研究。在1979年，美国联合技术中心的D.B.Snow等人采用大功率激光器制造出大尺寸的银基合金零件。同时在上世纪90年代，美国Sandia国家实验室与UnitedTechnologiesPratt&Whitney(UTPW)商业公司成为战略合作伙伴，并且成功研发了LENS。这项综合了大功率激光器与同轴输送粉末系统的技术引起了全

10、世界广泛的关注。在1998年，Sandia实验室获得了C)PtOmeCDeSign集团的支持，成功研发了用于商业的激光近净成形系统LENS750。截止目前为止，Sandia国家实验室与其合作伙伴已经推出了三代LENS装备，其LENS工艺成形件如图1.2(a)所示。1994年美国LoSAlamoS国家实验室在能源部的支持下，与SyntheMet公司合作共同开发了直接光学制造技术(DirectedLightFabrication,DLF),91o利用这项技术对一些难熔金属例如锦、钺、铜和鸨等材料进行成形研究。结果表明该技术可以获得和实际非常接近的金属零件，而且制备零件的精度达到了微米级别，机械性能

11、远高于传统工艺制造的金属零件,表面粗糙度和熔铸件相当101。目前，SyntheMet正致力于该技术的商业开发。Michigan大学在1999年成功研发金属沉积技术术(DirectMetalDeposition,DMD),并首次应用于大尺寸零件的制造，如图1.2(b)所示。美国斯坦福大学将去除法和添加法结合在一起，研发形状沉积制造技术(ShapeDepositionManufacturing,SDM),成形的金属零件可以获得很高的精度，并利用该技术制造了不锈钢叶片等零件“L(a)Sandia实验室工艺成形件(b)密歇根大学工艺成形件图1.2美国LENS工艺研究成果其他国家在激光快速成形技术上也取

12、得很大的进展。加拿大国家科学院集成制造技术研究所推出了激光光固化技术(LaSerConSOlidation,LC),利用316L不锈钢等金属粉末材料，可以制造满足机械性能要求的零件1，如图1.3所示。英国UniversityofBirmingham和UniVerSityofLiVerPool等在政府的资助下，研究了不锈钢、工具钢、银基合金、金属间化合物、复合材料以及功能梯度材料的金属零件近成形制造技术,也都取得了一定的研究成果。图1.3加拿大国家科学院IC工艺研究成果图14西北工业大学LSF工艺成形件1.4 相比于国外，国内对LENS技术研究开展的相对较晚，但是越来越多的学者和科研单位认识到这

13、项技术的重要性，开展了大量的研究工作，也取得了很大的进展。西北工业大学的黄卫东首先提出了激光立体成形技术(LaSerSoIidForming,LSF),并开展探索性的研究网，如图1.4所示。九十年代初，西北工业大学对不同种类的金属粉末用于激光增材制造进行了详细的探究,并在1997年与北京航空研究所合作，在航空基金重点项目的支持下，开展金属材料激光直接成形技术的研究。通过对工艺参数的调整，获得了外观无缺陷，表面质量良好的金属零件。北京有色金属研究总院张永忠等人在国家“863”项目的支持下，建立了激光快速成形的专用系统，针对不锈钢、锡青铜等高温金属粉末材料与复合粉末材料，进行了激光熔覆快速成形实验

14、口叫清华大学钟敏霖，天津工业大学的杨洗陈也对LENS技术的发展做出了巨大的贡献1。北京航空航天大学的王华明教授利用激光熔覆成形技术，成形耐腐蚀的多功能涂层材料，并且制造出中国国产大飞机C911主受力结构件，并通过评审I。1.5 1.ENS成形金属零件存在的问题以及解决措施尽管激光增材技术取得了重大的进展，但是还是面临着许多问题。最主要的问题就是制造的零件会存在较大的残余应力。这是因为在成形的过程中熔池会发生复杂的变化，例如熔池会经历熔融沉积凝固等一系列非平衡变化过程，这就会导致在熔池内部出现较大的温度梯度，且存在极为复杂传质和对流过程。而且激光增材制造本身就是急冷急冷的加工过程，零件上会产生不

15、均匀温度场，冷却之后也会存在残余热应力。残余内应力在微观上会影响凝固过程，组织的微观结构；在宏观上影响成形金属零件的尺寸、形状，也会导致裂纹、气孔的产生，进而会影响金属成形零件的力学性能，例如静载荷强度，疲劳强度和抗应力腐蚀等此。针对激光快速成形金属零件内部的残余应力，目前主要有以下解决办法。首先是根据实验结果中残余应力的分布，来反馈调节工艺参数。但是调控工艺参数只能在一定程度上调整残余应力的分布网。此外就是利用热处理来降低残余应力。具体操作方式是将金属零件加热到一定温度，在保温一段时间后再缓慢冷却到室温。它的原理是随着温度的升高，金属材料的屈服极限会减小，当材料的屈服极限小于残余热应力时,材

16、料会发生一定程度的塑性变形，以此来减小残余应力。对于不同的金属材料有着不同热处理工艺例如不同的加热时间，保温时间以及冷却速度。采用这种方式来处理金属材料，只要退火温度和时间选择合适，一般就可以在一定程度上的降低残余应力。但是这种处理方式也有弊端，那就是会改变金属材料的组织，从而影响材料的性能U叫最后是通过优化扫描路径来改善成形零件中的残余内应力。中国科学院研究生院的龙日升的研究结果表明，采用层间正交变向平行往复时各应力值的幅值比采用单一沿长边或者短边平行往复扫描时要小。所以层间正交变向平行往复扫描方式可以降低成形过程中的热应力，有助于提高成形件的质量20。1.6 本文研究思路综上所述，发现以上研究主要针对单一因素对熔覆层内部残余应