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金属增材制造过程仿真分析 (下篇) - 微观尺度

2019-09-06郭鹏伟

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本文进行了关于金属增材制造过程微观尺度的仿真分析分享。

    随着金属增材制造过程仿真分析工具功能的进一步增强,金属增材仿真分析的价值将逐渐显现。开展多尺度的金属增材过程仿真分析,对于降低金属增材制造成本、提高制造质量、缩短研发周期具有重要的意义。

    本期增材专栏进行关于金属增材制造过程微观尺度的仿真分析分享。

微观尺度增材制造过程仿真分析

    微观尺度增材制造过程仿真分析,主要关注熔池特征、微观组织结构特征及详细的温度变化历史特征,通过快速计算不同工艺参数组合下熔池尺寸、未熔合产生的孔隙率以及微观结构晶粒尺寸、取向等来优化工艺参数,最终实现成形材料力学性能的调控。

    通过熔池尺寸特征优化不同激光功率、扫描速率组合

    金属增材制造成形质量很大程度上由微观熔池尺寸特征决定,而激光功率、扫描速率是控制熔池尺寸特征的基本参数,较优的激光功率、扫描速率匹配组合,可以避免匙孔、未熔合、球化等缺陷的产生。ANSYS Additive Science工具可以计算不同激光功率、扫描速率组合下的熔池尺寸,快速找到较优的组合匹配,实现工艺参数的优化。

    以某国际知名品牌激光粉末床熔化设备TC4大层厚60µm工艺参数优化为例,计算激光功率300W-450W,扫描速率700mm/s-1600mm/s下熔池尺寸,基于熔池重熔深度达到90µm,深宽比小于0.95,长宽比小于4.2为优化准则,选择最优激光功率、扫描速率组合匹配,图1-3为计算结果,最终优化的最优匹配结果为350W、1300mm/s组合。

不同激光功率、扫描速率熔池重熔深度

图1 不同激光功率、扫描速率熔池重熔深度

不同激光功率、扫描速率熔池深宽比

图2 不同激光功率、扫描速率熔池深宽比

不同激光功率、扫描速度熔池长宽比

图3 不同激光功率、扫描速度熔池长宽比

    分析不同扫描间距下粉末未熔合产生的孔隙率

    确定激光功率、扫描速率的较优匹配之后,不同的扫描间距将产生不同的搭接率,较大的扫描间距,可能产生未熔合等材料内部冶金缺陷,较小的扫描间距可能导致搭接率过大,影响成形效率及表面质量。利用ANSYS Additive Science工具计算不同扫描间距下材料未熔合产生的孔隙率,实现激光功率、扫描速率、扫描间距的综合参数优化。

    在2.1得到的较优激光功率、扫描速率组合匹配基础上,进一步计算不同扫描间距0.07mm-0.17mm下的材料未熔合孔隙率(如图4所示),以粉末率小于0.005作为优化准则。最终优化结果为,当扫描间距达到0.15mm时,粉末率达到0.0047,因此,优化结果为扫描间距将不能大于0.15mm。

不同扫描间距下粉末未熔合孔隙率

图4 不同扫描间距下粉末未熔合孔隙率

    分析不同工艺参数下晶粒尺寸、取向特征

    材料的微观组织结构特征晶粒尺寸、形状、生长取向等决定了材料的宏观力学性能。金属增材制造过程中,微观组织结构对加工工艺参数具有较高的敏感性,研究工艺参数与微观组织结构特征的定量关系非常重要。ANSYS Additive Science工具可以计算不同工艺参数下晶粒尺寸、生长取向。图5为不同冷却速率、扫描旋转角度下晶粒尺寸、取向计算结果,材料为高温合金GH4169。

不同冷却速率、扫描旋转角度下晶粒尺寸、取向计算结果

图5 不同冷却速率、扫描旋转角度下晶粒尺寸、取向计算结果

    熔池的冷却速率影响微观晶粒组织,从计算结果可以看出,随着冷却速率(主要由激光功率、扫描速度决定)的增加,晶粒尺寸细化,平均粒径大约由45µm细化到15µm,晶粒分布也越均匀。层间旋转角度不仅对晶粒取向影响明显,对晶粒尺寸分布影响也较为显著,67°旋转较79°和180°晶粒尺寸分布更加均匀。此外,从计算结果也可以看出,水平方向上晶粒组织由于散热条件的不同,晶粒生长方向各异,水平方向与垂直方向晶粒组织差异明显。

    基于晶粒尺寸定量计算结果,可以进行材料宏观力学性能预测。对于大多数材料,晶粒尺寸可以预测材料的屈服强度,利用Hall-Petch方程:σ0.2=σ0+Ky/d1/2,其中,d为晶粒直径,σ0和Ky是材料常数,可以定量计算材料的屈服强度。建立工艺参数与晶粒组织的定量关系,对于精确控制成形材料的组织及力学性能具有重要意义。

    构件几何尺度的温度历史预测

    金属增材制造过程质量监控必不可少,增材制造设备也将更加智能化,温度传感器(实时监测熔池温度)、光敏传感器(实时监测熔池亮度、面积)、智能铺粉、实时成形材料缺陷监测等设备实时监控技术已经成为应用热点。

    利用温度传感器可以实时获取熔池表面的温度变化及分布特征,但很难精确描述熔池内部的温度演变历史。利用仿真手段,对构件几何尺度任意区域的详细温度变化历史进行虚拟预测(如图6所示),可以为构件成形精度、内部缺陷、微观组织及力学性能的质量追溯、分析评价提供温度历史数据。

温度历史监测结果

图6 温度历史监测结果

责任编辑:程玥
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