激光同軸送粉增材制造薄壁試樣的溫度演化

王 霞，王 維

（1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧 沈陽 110136）

增材制造是通過材料離散，然后逐漸累加的方式來制造實體零件[1]。該技術是信息技術、新材料技術和制造技術等多學科交叉融合的先進制造技術，可實現復雜金屬零件的無模具近凈成形，被譽為一種低成本、短周期、設計制造一體化的變革性制造技術[2]。近年來，正成為制造、材料、光學、檢測等學科的研究熱點[3]。激光同軸送粉增材制造是利用高能激光作為熱源，熔化同步送進的金屬粉末，粉末流和激光束同軸，激光逐點、逐線、逐層掃描，粉末不斷熔化、凝固、堆積，最終實現零件形狀、性能的一體化成形[4]。

在激光同軸送粉增材制造過程中，由于高能量密度的激光熱輸入和瞬時復雜的熱傳遞，會導致試樣內部形成瞬態多變的溫度場，試樣中每一點材料都要經歷熔化、凝固、冷卻、再升溫、再冷卻等非穩態的、變化劇烈的熱循環。這種瞬態的溫度變化、不均衡的熱量分布，會對成形零件的殘余應力、尺寸精度、組織、性能等產生嚴重影響[5]。因此，闡明增材制造過程中溫度隨時間的演變機理、隨空間的分布特性，是增材制造面臨的難點問題，是做到準確預測并有效控制的前提條件。

本文采用實驗和ANSYS Mechanical APDL（Parametric Design Language，參數化設計語言）有限元數值模擬相結合的方式，研究激光同軸送粉增材制造薄壁試樣時，溫度隨時間、空間的演變特性。

1 實驗方法

選用TC4 球形粉末，粒度-60～200 目，采用YLS-6000 型光纖激光器，為避免氧化，實驗在氬氣氣氛保護箱中進行。實驗工藝參數為：掃描速度8mm/s、光斑直徑4mm、激光功率1000W、單層高度0.5mm，共增材6 層，每層均為單道，層間往復進行掃描。基板選用材料也是TC4，尺寸為61mm×18mm×2mm。實驗中基板采用懸臂梁夾持方式，左側固定10mm，增材薄壁試樣長度為30mm，位于基板除去夾持端的中段，如圖1 所示。其中，T1、T2為熱電偶測溫點位置。

圖1 試樣尺寸和熱電偶位置

2 有限元模型建立

本工作采用ANSYS Mechanical APDL，通過生死單元法來控制材料的不斷生長添加，利用編程來實現增材過程中瞬態的溫度場模擬。粉末和基板材料均為TC4，其熱物性參數見表1。單元類型選用SOLID70，單元形狀為六面體，建模后對基板和薄壁試樣統一進行映射網格劃分，尺寸為0.5mm×0.5mm×0.5mm，有限元網格劃分結果見圖2。設置初始環境溫度為20℃，增材結束之后冷卻100s。

表1 TC4 鈦合金熱物性參數[6]

圖2 有限元模型

3 結果分析

3.1 節點溫度演化

圖3 為增材過程中T1、T2 兩點（見圖1）熱電偶實測和模擬溫度時間曲線，可見模擬和實測值非常接近，模擬具有可行性。由圖3 可見，在增材進行過程中，溫度曲線呈現波動上升趨勢，這是由掃描所采用的層間往復方式形成的。單數層時激光前進方向為從左往右，而T1 點位于試樣左側，溫度數值首先上升。兩點于25s 時到達溫度的極大值，實測數值分別為757℃、785℃，平均升溫速率為30.3℃/s、31.4℃/s，這種差異是由于兩端的熱傳導條件不同造成的，左側為夾持端，散熱條件較好。在本實驗中增材制造停光時間為20s，可見停光后溫度依舊會從試樣向基板傳遞。冷卻100s 后，T1、T2 兩點實測溫度分別為186℃、207℃，降溫速率分別為6.0℃/s、6.1℃/s，差別不大。

圖3 T1、T2 測量和模擬溫度時間曲線

3.2 溫度場演化

圖4 為增材每一層中間部位時的溫度云圖。在圖4a中可清晰觀察到熔池，以及彗尾狀的熱影響區，熔池前端等溫面密集，溫度梯度大，而后端等溫面比較稀疏，溫度梯度較小。從圖4（a）～（f），基板溫度從20℃增加為41.6℃，熔池溫度從1833.0℃增加為2167℃，可見隨著增材層數的遞增，無論是基板最低溫度，還是熔池最高溫度，都在逐漸升高，而且高溫區域包圍在增材薄壁試樣周圍，范圍逐漸擴大，溫度存在明顯累積效應。TC4 的熔點溫度為1650℃，在圖4（d）-（f）中，可見熔池已經超越了一層的厚度，便于層間形成冶金結合。

圖5 為冷卻1s 和100s 時的溫度云圖。由圖5a 可見，冷卻瞬間，在熱傳遞作用下，最高溫度急速下降為1335.3℃，而基板最低溫度上升到57.8℃，極限溫差為1277.5℃，整體溫度梯度相比圖4（f）有明顯下降。圖5（b）中，冷卻100s 后，極限溫差已經縮小到61.9℃，試樣和基板整體溫度梯度已不大。但比較圖5（a）和5（b），發現最高溫度快速下降的同時，基板最低溫度在冷卻100s 的過程中持續處于升高狀態，整體溫度梯度不斷縮小，溫度趨于平均分布。

圖4 增材1～6 層中間部位時溫度云圖

圖5 冷卻1s 和100s 時溫度云圖

4 結論

本文采用實驗和ANSYS Mechanical APDL 有限元仿真相結合的方式，研究激光同軸送粉增材制造薄壁試樣時，溫度的時空演變特性。經過分析，有限元仿真和實驗測溫結果具有一致性。

基板上節點的溫度時間曲線在增材制造過程中隨著往復式的掃描路徑循環上升，在停光后依然會在一定時間內保持升溫趨勢，然后以約為6.0℃/s 的速率冷卻降溫。不同時間的溫度云圖顯示，隨著層數增加，熔池溫度數值增加，同時高溫區域范圍擴大。冷卻時，極限溫差急速下降，溫度梯度不斷減小。