基于熔池数据分析的激光选区熔化成形件翘曲变形行为研究Word文档格式.docx
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StudyonDeformationBehaviorinSelectiveLaserMeltingBasedon
theAnalysisoftheMeltPoolData
ZhangKaiLiuTingtingZhangChangdongLiaoWenhe
SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing,Jiangsu210094,China
AbstractDeformationresultingfromresidualstressesisakeyprobleminselectivelasermelting(SLM).Thedifferentmeltingpoolconditionsbetweenthedeformationandnormalspecimensarecomparedbasedondatacollectedbythemeltpoolmonitoringsystem.Furthermore,theformingmechanismanddeformationprocessofthespecimensisinvestigated.Resultsfromtheexperimentssuggestthatdeformationofthespecimensoccursintheinitialstageoftheprocess.Themeltpoolareadecreasesandtheintensityofthemeltpoolincreases.Theexperimentsindicatethatitispossibletodetectdeformationofthespecimensbymonitoringthemeltpoolbehavior.Keywordslasertechnique;
selectivelasermelting;
meltpoolmonitoringsystem;
deformation;
residualstressOCIScodes140.3390;
140.3510;
140.6810;
350.3390
1引言
激光选区熔化(SLM)技术出现于20世纪80年代后期吐是近年来得到广泛关注的一项新兴先进制造技术气被认为是制造技术领域的又一次重大突破。
SLM技术基于完全熔化机制,I,成形零件致密度高,并具有良好的机械性能糜'
。
然而,完全熔化的缺点是成形过程中极易出现熔池不稳定现象,在液固转变期间会发生大幅度收缩,并在制件中积聚较大的残余应力,易导致翘曲变形,影响尺寸精度和力学性能'
5。
因残余应力导致的翘曲变形是SLM技术亟待解决的关键问题,如何减少和消除残余应力、抑制翘曲变形是提高SLM成形工艺可靠性的重要研究内容。
为了抑制翘曲变形,目前主要有以下解决方法:
1)制件直接在基板上建造,然而这种方式使得制件难以
收稿日期:
2015-03-30;
收到修改稿日期:
2015-04-15
基金项目:
国家自然科学基金(51375242,51405234)、江苏高校优势学科建设工程资助项目
作者简介:
张凯(1989—),男,博士研究生,主要从事激光选区熔化方面的研究。
E-mail:
zhangkai_nick@导师简介:
廖文和(1965-),男,教授,博士生导师,主要从事数字化设计制造、增材制造方面的研究。
cnwho@
*通信联系人oE-mail:
liutingting@
中国激光 从基板上去除并容易导致制件开裂回;
2)通过添加支撑结构抑制制件的翘曲变形,但是设计合理的支撑结构比较困难;
3)采用预热基板的方式降低热梯度,通过减少热应力来抑制变形和裂纹的产生时\但其预热效果随制件高度的增加会越来越差。
此外,优化激光扫描策略也是一种有效的方法"
助。
以上4种方法均是采用间接方式抑制变形的产生,并不能从根本上解决因残余应力过大而导致的翘曲变形。
因此,有必要从机理上分析残余应力的产生机制,探索有效的变形抑制方法。
比利时鲁汶大学提出了残余应力产生的理论模型㈣,并试验研究了SLM成形过程中的残余应力的产生因素。
发现材料的特性、制件的高度、扫描策略和激光光斑等都是影响残余应力的重要因素询皿。
然而上述影响因素和残余应力之间并不存在直接的相互作用关系四。
更为直接的表现形式在于,上述影响因素会直接影响熔池的热应力行为顷比。
因此,分析熔池的行为变化可以更为直接地理解残余应力产生机制以及变形产生的原因。
残余应力导致的翘曲变形同时也会影响熔池的状态啤,因此探索翘曲变形情况下的熔池变化规律,为在线检测翘曲变形提供一种可能的方法。
本文以两组相同规格的长方体试样为研究对象,基于熔池监测系统采集SLM成形过程中的熔池数据,研究翘曲变形产生的原因和过程,分析翘曲变形情况下熔池的变化规律。
2试验材料和方法
2.1试验材料
试验采用无锡飞而康公司生产的Ti6A14V钛合金粉末。
材料的化学组分见表1,粉末呈规则球形,粒径范围是0~53|xm,平均粒径为35~40|xm,其粉末扫描电镜(SEM)形貌图如图1所示。
基板采用Ti6A14V材料。
图1Ti6A14V钛合金粉末扫描电镜形貌
Al
V
Fe
C
N
H
Mo
Mn
Cu
Sn
Y
Zr
Ti
5.5-6.75
3.5〜4.5
0.14
0.007
0.13
0.002
<
0.05
Bal
Fig.lSEMofTi6A14Vpowders
表1Ti6A14V钛合金粉末的化学成分(原子数分数,%)
Table1ChemicalcomponentofTi6A14Vpowders(atomicfraction,%)
2.2试验设备及熔池监测系统
成形试验在德国ConceptLaserM2金属成形机上开展。
M2设备配置400W单模连续型光纤激光器,激光波长范围1064-1100nm0同时,集成熔池质量监测系统,监测并实时记录制件成形过程中熔池的状态,其原理如图2所示。
图2熔池监测系统原理图
Fig.2Schematicassemblyofthemeltpoolmonitoringsystems
0903007-2
监测系统主要由高速相机和发光二极管组成。
高速相机用于监测熔池的红外辐射强度,并实时捕捉熔池图像,通过分析图像的亮度值可以得到熔池面积(超过某一亮度值像素的总和,单位pixel);
-极管则用于测量熔池的光强,通过比较二极管监测信号值可以分析熔池的变化的。
目前,本试验所采用的熔池监测系统可以记录加工过程中每个制件在每一层的熔池辐射强度、熔池面积和二极管强度3种信号数据。
根据试件每一层的熔池面积数据,计算其算术平均值得到熔池面积均值。
2.3试验方案与检测
设计两组同样规格的试样,分两次加工完成,每组均包含12个试样,试样截面尺寸为10rnmXl()mm,高度从2mm到13mm均匀分布。
两组试样采用不同密度的支撑结构,其他参数均相同。
第1组试样支撑如图3(a)所示,X/Y轴的填充尺寸为1.5mm,轴向间距为1.5mm;
第2组试样支撑如图3(b)所示,X/F轴的填充尺寸为0.7mm,轴向间距为0.8mm。
试验采用激光功率100W,扫描速度600mm/s,扫描间距150|xm,铺粉层厚30|JLmo采用岛型扫描策略,岛型面积5mmX5mmo成形过程采用氧气保护,成形舱的氧气含量小于IO'
3kg/L0加工完成后,两组试样经常规打磨及抛光等后处理工序后,利用金相显微镜观察试样微观形貌。
图3(a)第1组试样支撑;
(b)第2组试样支撑
Fig.3(a)Supportofgroup1;
(b)supportofgroup2
3结果与讨论
3.1试验结果
最终成形试样如图4和5所示。
观察发现,两组试样的成形效果差异明显:
第1组12个试样的上表面平整,然而支撑脱离了基板,试样下表面出现了明显的翘曲变形,第2组12个试样上下表面都无明显变形。
图4第1组试样
Fig.4Specimensingroup1
图5第2组试样
Fig.5Specimensingroup2
3.2翘曲变形产生的原因和过程分析
根据温度梯度原理㈣,由于SLM成形过程中激光能量的快速输入和熔池的快速冷却(冷却速率为10'
K/s)刖,形成了较大的温度梯度,进而导致热应力的产生。
当热应力大于支撑结构与基板的结合强度时,支撑脱离基板,引发翘曲变形。
然而,该机制属于现象表述,难以更为具体的指明SLM成形过程中的哪个阶段以及零件的哪些部分易发生翘曲变形。
本节将结合试样的微观形貌和熔池监测系统采集的数据分析具体的变形过程,从熔池变化角度解释深层次的变形原因。
3.2.1基于试样的微观形貌分析翘曲变形
由2.1节的试验结果可知,第1组测试数据中高度为2mm的试样已出现翘曲变形,由此可以推测,翘曲变形发生在2mm高度之前。
测试第1组试样中高度分别为2.3,5.9mm的变形试样顶面,获得图6所示微观形貌照片。
从图中可以看出,2mm高度试样的顶面致密度最高,9mm高度试样的顶面致密度最低。
分析认为,试样成形初始阶段发生了翘曲变形,翘曲变形导致试件局部区域无法铺上粉末,产生了激光重熔的效
果,激光重熔提高了致密度阡2气因而具有较小的孔隙率;
而当成形到9mm高度时,残余应力得到了充分释放,此时已不再有变形发生,孔隙相对较多。
图6不同高度变形试样的上表面微观形貌(x50)o高度分别为(a)2mm;
(b)3mm;
(c)6mm;
(d)9mm
Fig.6Surfacemicrostructureofdeformedspecimenswithdifferentheights(x50).(a)2mm;
(d)9mm3.2.2基于熔池数据分析翘曲变形
为了进一步探明随高度
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