反冲压力作用下激光选区熔化熔池热动力学行为

发布时间：2025-05-15 02:47

　　 激光选区熔化(SLM)过程中,金属蒸发产生的反冲压力会改变熔池的热力学行为,导致零件缺陷。以316L不锈钢粉末为对象,通过数值模拟和试验测试,分析了不同激光工艺参数下反冲压力对熔池温度场和速度场的影响规律。其中,数值模型基于VOF多相流原理,充分考虑金属蒸发的反冲压力,同时结合了界面追踪热源模型。结果表明:固定激光线能量密度为300J/m时,较大的扫描速度(1.0m/s)会得到沿扫描方向更大范围的熔池,也会产生更深的凹陷;当激光扫描速度一定时(1.0m/s),熔池凹陷深度随激光功率增大而增大;并且凹陷深度越大,熔池深度越大,但沿扫描方向的熔池范围、熔化道表面形貌和宽度变化不大。

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【部分图文】：

图1 表面追踪热源示意图

由于SLM采用的是粉末状材料，金属的粉末粒径，空间位置具有随机分布的特征。此外，粉末之间和粉末与基板之间都是点接触，热量并不是像体热源那样瞬时传递到基板当中的。在基板还未受到明显加热之前，与激光相接触的金属粉末层可能已经到达了很高的温度甚至产生蒸发，这种传热过程与在采用焊接热源模....

图2 几何模型初始化

基于自由落体法[22]，实现SLM粉末床的初始填充。图2为粉末颗粒在0.8mm×0.2mm×0.2mm金属基板上的初始填充状态。其中，气相区域为80μm，粉末的平均粒径为28.9μm，服从正态分布。激光热源将从初始时刻开始添加到模型中，并沿着x轴的正方向移动。2试验验证

图3 316 L不锈钢粉末微观形貌

试验所用材料为316L不锈钢粉末，形貌如图3所示，平均粒径约32μm，采用自主研发的SLM150设备进行试验。由于课题组前期已经对该材料进行过较为详细的单道、多道、块体及致密度和力学性能等试验研究[23]，其中得出激光功率和扫描速度分别约为150W和0.5m/s时(线能量密....

图6 不同线激光功率(250 W和350 W)的流场与温度场及其对应的纵截面视图

图5和图6中也给出了相应超景深光学显微镜下观测到的熔化道横截面形貌。虽然在SLM试验中难以直接观察与测量熔池的凹陷深度，也仅有少数研究团队能够对熔池形貌、轮廓、温度等在线参数进行提取[27-28]。但从以上模拟结果来看，熔池凹陷最深的位置也对应着熔池最深的位置，即图5和图6中黑色....

本文编号：4046126