選區激光熔化支撐結構添加有限元仿真分析

宋德華 吉康 吳丙哲 白倩

摘要：選區激光熔化在成形過程中由于快速熔化和凝固產生的熱應力及固態相變效應等導致的熱變形甚至開裂對零件性能影響巨大。通過對典型零件支撐添加來減少零件變形對選區激光熔化技術的發展具有重要意義。以螺旋槳構件為典型零件，建立了選區激光熔化過程有限元模型，預測了零件成形過程中的殘余應力和變形;根據仿真計算結果確定易變形區域，研究了錐狀支撐對典型零件變形的影響，通過“仿真計算一支撐添加一再次仿真計算”的方式確定了零件選區激光熔化支撐添加合理性，有限元結果表明：合理添加錐狀支撐將螺旋槳傾斜度最大葉片變形有效地降低71.4%;并通過SLM實驗驗證了有限元仿真結果。

關鍵詞：選區激光熔化;有限元分析;殘余應力;支撐結構添加

中圖分類號：TN24

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022）02-0063-03

0 引言

選區激光熔化技術（ Selective Laser Melting，SLM）作為增材制造技術中的重要分支[1]，較激光近凈成形技術而言，具有高性能和復雜零件成形的優勢[2]。然而，SLM過程中金屬粉末快速熔化與凝固會產生熱應力，導致零件的翹曲等變形，阻礙了SLM工藝的進一步應用。而SLM制造復雜零件時，變形等缺陷[3]常產生于具有如懸垂、薄壁[4-5]和具有特殊幾何特征處，需要在零件局部區域添加支撐結構作為輔助手段，從而保證成形過程順利進行，避免因零件變形而造成卡刀從而導致零件成形失敗。支撐結構在SLM過程中有重要作用，通常采用點狀支撐、網狀支撐等[6]，可銜接成形區域和未成形區域，起到強化過渡作用[13]，保證成形件的受力平衡，防止成形件孤立區域由于自身重力而坍塌。因此，添加復雜零件的支撐結構對保證零件的使用性能具有重要作用。曹冉冉等人[7]提出曲面傾斜角α決定是否添加支撐結構，同時提出幾個相關結構參數用來計算傾斜角度。Wang[8]等人通過研究掃描速度、傾斜角度等因素來提高懸垂結構表面質量，研究發現：掃描速度與傾斜角度越小，懸垂結構表面越易翹曲，且隨激光功率增加而翹曲程度增大。華南理工大學盧建斌[9]利用SLM技術成形了激光熔覆噴嘴，利用支撐的方式解決了懸垂結構的易變形問題。

SLM過程中，熱應力的分布及大小取決于零件幾何形狀[10】、材料特性（如熱膨脹系數、彈性模量、屈服強度等）[11]、掃描策略[12]以及粉末層厚度[13]。金屬粉末在激光加熱的作用下，會迅速熔化光斑內的粉末層，使凝固相發生熱膨脹。當激光光斑移動加熱時，已加熱熔化的區域開始冷卻和收縮。同時，這種收縮受到金屬材料自身的約束，在已熔化區域內產生拉伸殘余應力。大多數已加熱熔化粉末與周圍的粉末將經歷一個二次熔化和二次凝固的循環。該循環逐層沉積時，壓應力持續積累與零件內部，逐漸壓應力與表面的拉應力會達到新的平衡狀態。

因此，本文以螺旋槳構件為典型零件，建立了選區激光熔化過程有限元模型，預測了零件成形過程中的殘余應力和變形。基于螺旋槳原始有限元模型仿真結果，對螺旋槳構件進行支撐結構添加以減小變形，并通過SLM試驗驗證有限元仿真結果。

1 SLM實驗

本文中SLM成形實驗采用流動性較好的馬氏體不銹鋼粉末（ lCr12Ni3M02C02VN、6511），通過激光粒度儀Malvern Mastersizer 2000、超高分辨率場發射掃描電子顯微鏡JSM-7900F獲得馬氏體不銹鋼粉末的粒徑分布與微觀形貌，如圖1所示。粉末粒徑大小主要集中在10-100 μm之間，平均粒徑為35μm。6511化學成分如表1所示。SLM成形實驗中采用“島狀”激光掃描策略，如圖2所示;在SLM成形過程中該激光掃描策略可有助于減小零件的殘余應力與變形[14]，相鄰兩層之間的掃描角度為90。，為避免SLM成形過程中零件被氧化，保證成形過程中的氧含量低于1.0%

本工作中所使用的實驗儀器為日本沙迪克公司的增減復合制造機床Sodick OPM250L，如圖3所示。SLM成形過程中，需要持續地向成形腔內充入惰性氣體，以防止燒結過程中試樣被氧化。增材過程采用651 1粉末成形螺旋槳構件，6511粉末的SLM基礎成形實驗工藝參數如表2所示。

2 典型零件SLM有限元模型建立

本論文以螺旋槳構件為典型零件，螺旋槳的葉片分別為0°、9°、22°、36°四個不同的傾斜角度，分析傾斜角度對零件變形的影響。螺旋槳三維模型如圖4所示。采用有限元軟件MSC. Marc/mentat，以四面體網格劃分螺旋槳構件來建立螺旋槳宏觀尺度有限元模型，四面體網格尺寸為Imm（高）X0.5 mm（寬）X0.5 mm。實驗前設置粉末與基板的初始溫度為25。，且螺旋槳與基板均為6511馬氏體不銹鋼材料制成。

該有限元模型的溫度場熱傳導基本方程如式（1）所示[15]：

式中：參數T和t分別為溫度和時間;p、k和c分別代表密度、熱導率和比熱;Qv為體積熱源。

粉末的熱導率影響了成形過程中從熔池到粉末床再

6511馬氏體不銹鋼在降溫凝固過程中會發生馬氏體相變，而該固態相變會顯著影響成形零件的應力狀態。因此，本文基于文獻[17]中的6511馬氏體不銹鋼相變模型，在SLM有限元模型中考慮了固態相變中的材料屬性轉變、相變體積效應以及相變誘導塑性等的影響，實現SLM成形復雜零件的殘余應力和變形預測。

3 支撐結構添加

螺旋槳典型零件的支撐結構添加是基于對無支撐添加的螺旋槳的有限元計算結果，仿真結果如圖5所示，根據有限元仿真云圖判斷在SLM成形過程中易變形危險區域，原始模型中變形最大的區域在傾斜角度為36。的葉片上，即圓圈B處，變形幅值為0.21 mm;葉片隨傾斜角度增大而變形程度增加，是因為傾斜角度越大的葉片，懸垂結構特征越明顯，懸垂結構不利于SLM成形過程中的熱量傳遞，熱量累積在葉片區域從而導致較大的變形。

因此根據有限元分析結果在傾斜角度為360的葉片上添加錐狀支撐結構，其作用是輔助成形葉片過程中的熱量傳遞，防止熱量積累。錐狀支撐底部直徑為1.6 mm，如圖6所示。基于添加了支撐結構的零件SLM模型開展有限元計算，分析支撐結構對零件變形的影響。

4 結果討論

圖7所示為螺旋槳構件的支撐結構添加流程和有限元計算云圖。如圖7 （b）、（c）所示，對比有無支撐添加支撐結構的典型零件有限元計算云圖，仿真結果顯示，螺旋槳葉片整體變形幅值均有下降，尤其傾斜角度為36。的螺旋槳葉片變形值下降最為顯著，即易變形危險區域變形幅值從0.21 mm降至0.06 mm，下降程度在70%以上，這是由于支撐的添加有利于成形過程中的熱傳遞，減小了SLM過程中的熱量累積，從而減少了熱應力及固態相變導致的變形。根據有限元計算結果，采用生死單元技術去除支撐結構，去除支撐后葉片內部殘余應力自平衡，零件變形幅值也隨之變化。從圖7 （e）去除支撐后仿真結果可以看出，零件的最大變形值為0.12 mm，小于不添加支撐情況下的變形值。根據有限元仿真結果確定支撐結構及位置，在Sodick OPM250L機床上成形添加了支撐結構的典型零件，如圖7 （f）所示，結果表明，在傾斜度36。的葉片上采用錐狀支撐結構可以減小由于薄壁及大傾斜角度帶來的變形問題，使得成形順利完成。

5 結束語

本文利用有限元軟件MSC. Marc/mental建立了典型零件的選區激光熔化有限元模型，研究了無支撐條件下螺旋槳構件SLM過程中由熱應力與固態相變效應引起的變形，根據有限元仿真結果獲得葉片變形危險區域，即明確支撐添加區域;再基于有限元仿真計算結果添加錐狀支撐結構并得到SLM實驗驗證。結果表明，有限元仿真計算與添加合理形狀及位置的支撐結構二者相結合，可達到預測SLM成形過程中殘余應力與變形，以及顯著減小SLM成形中典型零件熱應力及固態相變效應導致的變形。

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