【摘 要】
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激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）成形技术由于能成形高性能高精度复杂金属零件,近十年来得到了业界的广泛重视。然而,由于SLM成形过程中和成形后存在高应力,使得成形零部件易变形和开裂。目前关于SLM成形过程中应力的产生及演化机制的研究不足,造成应力的影响因素和变化规律认识不清,缺乏有效的控制方法,极大的限制了该技术的发展和应用。本论文通过建立的有限元数值模型和间接
【基金项目】
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国防 973 项目“XXX 金属 XX 的激光选区熔化成形 XXXX”（编号 613281）
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激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）成形技术由于能成形高性能高精度复杂金属零件,近十年来得到了业界的广泛重视。然而,由于SLM成形过程中和成形后存在高应力,使得成形零部件易变形和开裂。目前关于SLM成形过程中应力的产生及演化机制的研究不足,造成应力的影响因素和变化规律认识不清,缺乏有效的控制方法,极大的限制了该技术的发展和应用。本论文通过建立的有限元数值模型和间接解析模型以及实验研究,得到了应力的产生和演化规律及应力的影响因素和控制方法。论文的主要研究内容及获得的结果如下:（1）分别建立了SLM成形Ti6Al4V的温度场和应力场有限元数值模型和间接解析模型并进行了实验验证。考虑材料热物性参数随物相和温度的变化,采用热-结构耦合的方法建立了SLM成形温度场和应力场有限元数值模型。基于罗森塔尔方程建立了SLM成形Ti6Al4V的温度场解析模型,基于热弹性位移势函数及Ti6Al4V在力学熔点以下只有弹性变形的材料特性,建立了SLM成形Ti6Al4V的应力场间接解析模型。两种模型预测结果与实验结果吻合良好。结果表明:SLM成形Ti6Al4V热循环中最后一次力学熔点（850℃）处的温度梯度变化率正相关于该点处的残余应力。（2）采用有限元数值模型研究了SLM成形Ti6Al4V单层到多层的加工过程中应力的演化和分布规律。对于当前层,应力演变过程可分为四个阶段:熔化导致应力的产生、退火效应导致的应力释放、热循环温度峰值降低导致的应力累积以及激光远离、温度降低导致的应力累积。对于已成形层,应力演化过程也可分为四个阶段:温度升高导致的应力降低、材料重熔产生的新应力、退火效应导致的应力释放以及温度降低导致的应力累积。SLM成形试样的应力分布极不均匀,最大应力位于试样与基板结合的端部。随沉积层数的增加,试样表面及内部应力均减小,最大应力数值增加,但位置不变,因此该处开裂倾向增大。（3）采用数值模型和间接解析模型揭示了工艺参数对应力的影响规律及机制。在不同工艺参数范围内,残余应力随工艺参数变化呈现不同的变化规律。温度梯度变化率随输入激光能量的增加而增加,随距激光中心点距离增加而减小。两种机制竞争下,残余应力随工艺参数的变化规律复杂。工艺参数对试样残余应力的影响权重为扫描速度＞激光功率＞扫描间距。（4）对SLM成形过程中三种可工程应用的应力控制方法进行了系统研究,得到了其对应力的影响机制,提出了可用于SLM成形过程中的应力控制方法。结果表明:采用短扫描线长扫描时,试样内部平均应力随扫描线长的增加先增大后减小,因此SLM成形时,应避免采用中等长度的扫描线长,本论文实验条件下,应避免5~7 mm的扫描线长。添加支撑能够有效降低应力,其主要机制为温度梯度的降低。应力降低幅度随支撑面积减小而增大,本论文实验条件下,应力最大平均降幅达28%。重扫描工艺参数对残余应力的影响与工艺参数的影响类似,非常复杂。合适的重扫描工艺可以有效降低SLM成形试样的残余应力和表面粗糙度,并提高致密度。本论文中,优化的重扫描工艺下,应力降低22%,表面粗糙度降低12%,致密度由99.96%提高到99.98%。（5）研究了SLM成形后的去应力退火工艺及其对组织性能的影响规律。SLM成形Ti6Al4V的退火效率较传统锻造高。退火效率随退火温度升高而提高。本实验中,100%消除应力去应力退火工艺为:650 oC保温60分钟,或500 oC保温300分钟或350 oC保温600分钟。当去应力退火温度高于500 oC时,白色β相析出时间随退火温度升高而减少,析出量随保温时间增加而增加。退火后的试样,其硬度值均高于沉积态,退火温度为500 ℃时达到最高。
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