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激光选区熔化成形钛合金温度场和应力场数值模拟

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激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）成形过程中，高度定向的热输入和快速移动热源的作用下，粉床局部将经历快速加热和冷却的过程，从而导致零件产生残余应力，进而影响零件的成形性与尺寸精度，甚至会使零件产生裂纹。因此本文采用有限元数值模拟的方法研究了工艺参数和扫描策略对温度场和应力场分布的影响，为优化工艺参数、预测防治缺陷提供理论支持。 本文利用ANSYS参数化设计语言（ANSYS Parameter Design Language,APDL）建立了SLM成形Ti-6Al-4V合金热-结构间接耦合有限元模型，该模型在高斯分布的移动体热源模型以及随温度变化的热物性参数基础上，采用各向异性热导率增强系数的方式提高了求解精度。该模型所预测的熔池尺寸、柱状晶生长方向和残余应力与实验结果符合得较好，从而在多个尺度上分别验证了SLM成形Ti-6Al-4V的温度场和应力场。 基于所建立的有限元模型，本文分析了钛合金SLM成形的温度场分布特征，并探讨了不同激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉厚度下温度场分布和熔池尺寸的演变规律。结果表明：复杂热循环作用下，实体将多次被熔化。不同工艺参数下，随着激光功率的增加和扫描速度的减小，熔池尺寸和液相停留时间均增大；而铺粉厚度增加将降低后热的峰值温度，减小重熔次数；较高的扫描间距下，道间热累积作用减弱，成形过程中峰值温度下降。 在温度场研究的基础上，进一步分析了工艺参数和扫描策略对残余应力分布和热应力演变的影响。其中，残余应力随功率和速度的增加以及铺粉厚度和扫描间距的减小而增大。分区扫描时，分区内部的热应力较小，且内部应力随分区数量增加而减小，搭接区域的热应力较高；块体成形过程中，实体表面的残余应力比实体内部低。而成形过程中，SLM独特的复杂热循环将诱导产生复杂热应力循环，并对实体产生去应力退火作用。复杂热循环作用下去应力退火过程具有变温脉冲式的特点，每个循环内节点热应力快速下降后缓慢上升，循环间的应力极大值逐渐下降；随沉积高度的增加，热循环作用减弱，应力极大值下降的幅度逐渐减小。经过多次热循环去应力退火作用后，热应力极大值下降的幅度可达40%以上。此外，相比于水平热循环，垂直热循环作用下去应力退火作用更为明显。由此可得SLM成形过程中，热循环退火效应显著。

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