引言

鈦合金增材制造技術(shù)因其在復(fù)雜構(gòu)件成形方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的關(guān)鍵制造工藝[1-2]。與傳統(tǒng)減材制造不同，該技術(shù)通過(guò)逐層熔融沉積鈦合金絲材實(shí)現(xiàn)近凈成形，其中焦耳熱分配控制直接影響熔池穩(wěn)定性與成形質(zhì)量[3]。

當(dāng)前研究面臨的核心挑戰(zhàn)在于:預(yù)熱不足導(dǎo)致層間結(jié)合力弱化(孔隙率>5%)，降低力學(xué)性能[4];熱積累過(guò)量，引發(fā)碳化燒損(溫度>1700℃時(shí)，燒蝕深度波動(dòng)±18%)[5]，影響尺寸精度;真空環(huán)境下熱耗散機(jī)制不明確，加劇殘余應(yīng)力聚集(最大等效應(yīng)力達(dá)4.02x10⁸Pa[6]}。為此，本文提出基于焦耳

熱協(xié)同調(diào)控的優(yōu)化方法:建立瞬態(tài)熱-力耦合模型(ANSYS平臺(tái))，量化真空條件下預(yù)熱溫度場(chǎng)(基準(zhǔn)值1638℃)與熔融熱的動(dòng)態(tài)分配關(guān)系;設(shè)計(jì)多參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)(激光功率1~10kW)，揭示配比對(duì)燒結(jié)深度、形變及應(yīng)力的影響機(jī)制;基板尺寸10mm 10mmx3mm，絲材截面2mmx2mmx0.03mm，采用混合網(wǎng)格技術(shù)(掃描區(qū)六面體網(wǎng)格0.025mm，非掃描區(qū)自適應(yīng)網(wǎng)格)平衡計(jì)算效率與精度[7-9]。該研究為高精度鈦合金絲材增材制造提供理論支撐，對(duì)解決熱致缺陷、增強(qiáng)成形件服役性能具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1、溫度場(chǎng)有限元分析

1.1模型建立

基板是一個(gè)尺寸為10mm10mm3mm的長(zhǎng)方體(最底部灰色部分)，絲材打印的模型為100個(gè)熔融并連接在一起的尺寸為1mmx1mmx1mm的正方體，一共累計(jì)10層[10-12]。在基板一個(gè)邊的中心建立三維坐標(biāo)系O(0，0，0)，并使正方體一邊的中點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)，使其形成一個(gè)單道多層的幾何模型，如圖1所示。

1.2 3D打印溫度場(chǎng)

在3D打印第1層打印完成之后，最高溫度區(qū)域逐漸向試件的中部移動(dòng)。這是因?yàn)樵诖蛴∵^(guò)程中，試件內(nèi)部散熱困難，隨著打印高度增加，溫度逐漸向試件的下部傳遞，同一等溫線(xiàn)所包圍的區(qū)域越來(lái)越大，熱影響區(qū)逐漸增大。這是由于每進(jìn)行下一層打印時(shí)，下層打印溫度均會(huì)傳遞給本層，不斷地進(jìn)行熱積累，熱影響區(qū)就越來(lái)越大。

如圖2所示，該工況下激光功率處于試驗(yàn)設(shè)定的最高水平(10kW)，熔融熱在熱分配中占比更高(1:2)。打印溫度在前幾秒內(nèi)迅速攀升至3200℃的高位峰值，且每1層打印啟動(dòng)時(shí)均對(duì)應(yīng)1個(gè)明顯的溫度峰值。由于高功率輸入與熔融熱占優(yōu)的分配模式，熱積累效應(yīng)極為顯著，隨著打印層數(shù)增加，熔融熱不斷疊加，溫度持續(xù)升高，全程維持在較高水平，后期溫度接近鈦合金燒損臨界區(qū)間，熱穩(wěn)定性較差。

如圖3所示，激光功率降至7kW，預(yù)熱與熔融熱分配比調(diào)整為2:3，預(yù)熱貢獻(xiàn)占比相較于10kW工況有所提升。溫度在前幾秒內(nèi)仍能快速升至3200℃，每1層打印啟動(dòng)時(shí)的溫度峰值特征依然明顯，但受功率降低與預(yù)熱占比優(yōu)化的影響，后續(xù)每層打印帶來(lái)的溫度疊加幅度較10kW工況更為平緩，熱積累速率有所減緩，溫度整體呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，未出現(xiàn)急劇攀升的現(xiàn)象。

如圖4所示，激光功率進(jìn)一步降至5kW，預(yù)熱與熔融熱分配比優(yōu)化為3:4，預(yù)熱作用得到進(jìn)一步強(qiáng)化。打印溫度大約在10s后達(dá)到3200℃，但后續(xù)隨著打印層數(shù)增加，得益于較低的功率輸入與更高的預(yù)熱占比，熔融熱疊加效應(yīng)被有效緩解，溫度峰值的提升幅度明顯減小，溫度場(chǎng)波動(dòng)范圍收窄，整體熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于高功率(10kW，7kW)工況，熱積累現(xiàn)象得到初步控制。

如圖5所示，激光功率為3kW，預(yù)熱與熔融熱分配比達(dá)到1:1的均衡狀態(tài)。溫度在前幾秒內(nèi)迅速升至1500℃后，由于熱輸入與熱擴(kuò)散效率形成良好匹配，后續(xù)每層打印時(shí)的溫度疊加效應(yīng)溫和，溫度場(chǎng)整體波動(dòng)較小,未出現(xiàn)明顯的大幅升溫趨勢(shì)。全程溫度圍繞鈦合金理想打印溫度區(qū)間( 1 638℃左右)波動(dòng)，熱積累效應(yīng)最弱，溫度場(chǎng)穩(wěn)定性最佳。

如圖6所示，激光功率為試驗(yàn)設(shè)定的最低值(1kW)，且預(yù)熱在熱分配中占主導(dǎo)地位(2:1)，熔融熱輸入相對(duì)不足。打印溫度大約在15s時(shí)升至1300℃，但后續(xù)隨著打印層數(shù)增加，受低功率與高預(yù)熱占比的影響，熔融熱補(bǔ)充不足，溫度提升速率顯著放緩，甚至出現(xiàn)升溫趨緩的態(tài)勢(shì)。整體溫度水平低于其他功率工況，熱積累效應(yīng)最弱，因熔融熱不足，故溫度難以穩(wěn)定維持在鈦合金理想熔融區(qū)間。

可見(jiàn)每一層打印都會(huì)疊加溫度直至打印完成，在打印過(guò)程中因熔融熱不同導(dǎo)致平均打印溫度各不相同，最接近金屬鈦合金的打印溫度為1600℃左右，熔融熱溫度與預(yù)熱溫度分配比為1:1時(shí)，打印件質(zhì)量最好。

2、應(yīng)變場(chǎng)分析

ANSYS仿真可得到鈦合金在高溫下的應(yīng)力場(chǎng)云分布圖，可反映材料在特定工況下的應(yīng)力狀態(tài)。在3D打印過(guò)程中，鈦合金材料容易受到熱應(yīng)力的影響。在SLM打印過(guò)程中，由于激光是逐層打印的，導(dǎo)致各層的殘余應(yīng)力分布不均勻。圖7~9為應(yīng)力變化圖。

在ANSYS鈦合金熱應(yīng)力仿真分析時(shí)除了應(yīng)力云圖外，還可得到鈦合金在高溫下的形變曲線(xiàn)圖，如圖10所示。該圖可以更準(zhǔn)確地反映出在某時(shí)刻的應(yīng)力應(yīng)變狀況，可以更好地了解打印件的形變量。

圖11中的等效彈性應(yīng)變曲線(xiàn)為3D打印工藝優(yōu)化提供了明確的量化依據(jù):曲線(xiàn)中最大應(yīng)變通常出現(xiàn)在激光掃描熔池中心的瞬間，若持續(xù)超過(guò)材料臨界值，則預(yù)示過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)，易引發(fā)微裂紋，此時(shí)應(yīng)降低激光功率或提升掃描速度;最小應(yīng)變反映層間冷卻后的彈性恢復(fù)狀態(tài)，若該值偏高，則說(shuō)明冷卻不足，需延長(zhǎng)層間時(shí)間或加強(qiáng)散熱;而平均應(yīng)變則表征全過(guò)程的熱應(yīng)力水平，可通過(guò)預(yù)熱基板或采用分區(qū)掃描策略使其穩(wěn)定在更低區(qū)間，從而抑制翹曲、提升尺寸一致性。整條曲線(xiàn)實(shí)質(zhì)上構(gòu)建了一個(gè)“應(yīng)變-工藝”閉環(huán):通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)變特征并反向調(diào)控?zé)彷斎肱c冷卻節(jié)奏，即可實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)成形到主動(dòng)控性的跨越，這對(duì)航空航天等高精度金屬增材制造具有重要指導(dǎo)意義。

一般來(lái)說(shuō)，隨著溫度升高，材料的塑性變形能力增加，導(dǎo)致材料的破壞強(qiáng)度降低，從而使等效應(yīng)力降低。此外，在高溫下由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，也會(huì)影響材料的強(qiáng)度和耐久性，導(dǎo)致對(duì)等效應(yīng)力的影響，如圖12所示。

在預(yù)熱和熔融熱分配比為1:1時(shí)，打印件的等效彈性應(yīng)變?yōu)?.14x10^-3，等效應(yīng)力為4.0197x 10°Pa，總形變量為0.05746mm。可以看出，鈦合金在溫度升高的情況下，總形變量越來(lái)越大。這是由于隨溫度升高，材料的熱膨脹系數(shù)越來(lái)越大，致使打印件的尺寸隨之增大。打印件內(nèi)部的熱積累也會(huì)使打印件內(nèi)部的應(yīng)力變化，進(jìn)一步導(dǎo)致材料形變。因此，選擇適宜的激光功率和加入一定的冷卻時(shí)間會(huì)使成形件擁有更好的質(zhì)量。

3、結(jié)論

本文通過(guò)建立真空環(huán)境下鈦合金絲材增材制造的焦耳熱預(yù)熱-熔融熱分配模型，系統(tǒng)研究了熱分配比對(duì)成形質(zhì)量的影響，主要結(jié)論為:

(1)在打印過(guò)程中因熔融熱不同導(dǎo)致平均打印溫度各不相同，最接近金屬鈦合金的打印溫度為

1600℃左右，熔融熱與預(yù)熱分配比為1:1時(shí)，打印件質(zhì)量最好。

(2)在預(yù)熱和熔融熱分配比例為1:1時(shí)，打印件的等效彈性應(yīng)變?yōu)?.14x10^-3，等效應(yīng)力為4.0197x 10°Pa，總形變量為0.05746mm。

(3)本研究證實(shí)焦耳熱預(yù)熱分配協(xié)同控制是提升真空鈦合金打印質(zhì)量的核心途徑，為高精度航空航天部件制造提供理論支撐。

參考文獻(xiàn):

[1]李海龍，王智慧，鄒捷，等.熱絲在窄間隙焊接中的研究現(xiàn)狀[J].2016，39(7):31-34.

[2]溫鵬，鄭世卿，單際國(guó)，等.激光熱絲焊電阻熱控制及送絲參數(shù)優(yōu)化[J].焊接學(xué)報(bào)，2015，36(9):17-20，114.

[3]李素麗，魏正英，盧秉恒.高溫鈦合金微滴沉積成形有限元分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2014，35(4):124-128.

[4] Chiumenti M, Neiva E, Salsi E, et al. Numerical modelling and ex-perimental validation in selective laser melting[J]. Additive Manufac-turing,2017,18:171-185.

[5] Ussein A, Hao L, Yanc Z, et al. Finite element simulation of the temperature and stress fields in single layers built without-support in selective laser melting[J]. Materials Design, 2013, 52: 638-647.

[6] Uang Y, Yang L J, Du X Z, et al. Finite element analysis of thermal behavior of metal powder during selective laser melting[J]. Interna-tional Journal of Thermal Sciences, 2016, 104: 146-157.

[7] Yin J,Zhu H H,Ke L D, et al. Simulation of temperature distribu-tion in single metallic powder layer for laser micro-sintering[J]. Com-putational Materials Science, 2012, 53(1): 333-339.

[8] Adroitsev I, Krakhmalev P, Yadroitsava I. Selective laser melting of Ti6Al4V alloy for biomedical applications: temperature monitoring and microstructural evolution[J]. Journal of Alloys and Compounds,2014，583:404-410.

[9] Zhang D Q, Cai Q Z, Liu J H, et al. Select laser melting of W-Ni-Fe powders: simulation and experimental study[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 51(5-8):649-658.

[10]徐浩然，李寶寬，劉中秋，等.不同掃描策略下鈦合金選擇性激光熔化過(guò)程層間溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2022，21(1):66-73.

[11]許偉.7075鋁合金激光熱絲焊接仿真與工藝研究[D].湖南湘潭:湖南科技大學(xué)，2018.

[12]宋燕利，余成，戴定國(guó)，等.基于BP和GA的激光焊接熱源模型參數(shù)優(yōu)化[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2017，24(1):218-222.

（注，原文標(biāo)題：金屬鈦合金絲材3D打印焦耳熱預(yù)熱和熔融熱分配分析_張偉博）

相關(guān)鏈接