【解析】熔融堆積3D打印成形金屬件層間結(jié)合研究

熔融堆積3D打印是一種全新的金屬件快速制造工藝，該技術(shù)原理是：首先采用高頻感應(yīng)加熱的方式使送入噴頭的金屬絲材 快速熔化，然后使熔融金屬材料薄薄的（0.1~2）mm/層逐層堆積，從而將計算機中預(yù)先設(shè)計出的三維立體圖形快速、精確地復(fù)制出 零件實體。 由于采用感應(yīng)加熱的方式，因此相比現(xiàn)有成熟金屬材料3D 打印成形技術(shù)，如激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）、選區(qū)激光熔化（SLM）、激光近凈成形 （LENS）和電子束選區(qū)熔化 （ EBSM）等，熔融堆積3D打印在設(shè)備及運行成本方面具有明顯優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)外針對金屬件3D打印過程溫度場做了大量研究工作。金屬件熔融堆積3D打印是一個從液態(tài)金屬逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的熱過程，熱量的輸入和傳播貫穿整個成形過程，且熱作用過程決定了成形件的層間結(jié)合及應(yīng)力、 應(yīng)變場的分布等。因此，對成形過程溫度場分布及變化規(guī)律進行研究具有重要的意義。采用自行搭建的試驗平臺，進行鉍錫低熔點合金（成分為鉍58%、錫42%，熔點為138℃）的熔融堆積3D打印成形。 通過數(shù)值模擬和工藝試驗相結(jié)合的方法，重點研究了熔融金屬溫度（T1）、基板溫度（T2）及堆積速度（v）等工藝參數(shù)對成形過程溫度變化及最終成形件層間結(jié)合的影響。

2有限元模擬模型的建立
2.1數(shù)學(xué)模型
熔融堆積3D打印成形過程中，成形系統(tǒng)內(nèi)溫度場及其他熱參數(shù)隨時間不斷變化，因此溫度場的有限元模擬屬于非線性瞬態(tài)熱分析問題，需采用如下熱傳導(dǎo)微分方程來描述：

模擬過程中熔融金屬及成形基板的實際溫度值均采用熱電偶進行測量。 成形金屬實體與周圍空氣接觸表面為自然對流換熱，可表示為：

金屬材料在被快速熔化，然后打印固化成形的過程中，經(jīng)歷一個復(fù)雜的相變過程，需要吸收或釋放大量熱量，因此對金屬件熔融堆積3D打印成形過程溫度場進行模擬，相變潛熱是不可忽略的因素之一。ANSYS通過定義材料焓值隨溫度的變化來考慮相變潛熱，如式（3）所示

2.2物理模型

研究所建立數(shù)值模擬物理模型，如圖1所示。模型下部分為成形基板，尺寸為（200×200×10）mm，材料為Q345低合金鋼；基板上方為成形金屬件，尺寸為（80×32×20）mm。采用ANSYS中的Solid70熱單元進行網(wǎng)格劃分，該單元有8個節(jié)點且每個節(jié)點上只有一個溫度自由度，該單元可用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析，能實現(xiàn)三個方向勻速熱流的傳遞。根據(jù)實際沉積單層厚度2mm，將成形件劃分為（2×2×2）mm的單元，共計10層，6400個單元�；�板則采用較大的單元網(wǎng)格進行劃分，這樣可以節(jié)省分析時間。模擬過程中，成形環(huán)境溫度設(shè)定為20℃。
成形件成形基板ＡＢ

圖1熔融堆積3D打印有限元分析物理模型

3成形件溫度分布模擬結(jié)果及分析
在不影響成形件性能的條件下，適當(dāng)增加堆積速度能有效提高成形效率。 本研究在設(shè)定熔融金屬溫度T1=160℃及基板溫度T2=90℃的條件下，分別對不同堆積速度（v）條件下鉍錫合金打印成形過程溫度變化進行模擬。 設(shè)定堆積速度v=4mm/s和v=16mm/s，當(dāng)成形件上最后一個單元被激活（即時間t分別為3200s和800s）時，成形件溫度分布情況，如圖2（a）、圖2（b）所示。

（a）v=4mm/s

（b）v=16mm/s。

圖2不同堆積速度下成形件溫度分布

由圖2可以看出：
（1）由于金屬件熔融堆積3D打印技術(shù)的成形特點，即各單元激活時間不同步，使得成形件上溫度分布極不均勻，被激活單元及其附近區(qū)域溫度較高，遠離被激活單元區(qū)域溫度則較低；
（2）溫度場在被激活單元后面形成拖尾，且堆積速度越快，拖尾越是明顯；
（3）當(dāng)堆積速度增加時，成形件的整體溫度升高，同時高溫?zé)嵊绊憛^(qū)變大，這同樣有利于增強成形件層間結(jié)合性能，提高成形件質(zhì)量。

4工藝試驗及分析
采用自行搭建的熔融堆積3D打印成形試驗平臺進行工藝實驗，其最大成形尺寸為（100×100×80）mm，最高堆積成形速度為20mm/s。首先通過工藝試驗研究了不同熔融金屬溫度（T1）、基板溫度（T2）及堆積速度（v）條件下所成形鉍錫合金實體的層間結(jié)合情況。

4.1溫度對層間結(jié)合影響試驗研究
在不同熔融金屬溫度（T1）及基板溫度（T2）條件下進行6層鉍錫合金實體的打印成形試驗，如圖3所示。試驗過程堆積速度設(shè)定為v=8mm/s，并按照6個標(biāo)準(zhǔn)對成形件層間結(jié)合情況進行對比評分。其中，
1代表層間有明顯分離；
2代表層間無分離，但層間結(jié)合面較明顯；
3代表層間結(jié)合面局部融合；
4代表層間無明顯結(jié)合面；
5代表層間近乎完全融合；
6代表層間完全融合成一體。

圖3熔融堆積3D打印成形6層鉍錫合金實體

評分結(jié)果，如圖4所示。從圖4可以看出：隨著熔融金屬溫度及基板溫度的升高，成形件的層間結(jié)合逐漸變好。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔融金屬及基板溫度過高時，會導(dǎo)致成形件局部或整體塌陷，使成形失敗。試驗條件下得到的最優(yōu)溫度參數(shù)為熔融金屬溫度T1=160℃、基板溫度T2=90℃。

圖4不同溫度參數(shù)條件下成形實體層間結(jié)合情況

4.2堆積速度對層間結(jié)合影響試驗研究
這里設(shè)定熔融金屬溫度及基板溫度分別為T1=160℃和T2=90℃，在不同堆積速度v=4mm/s和v=16mm/s條件下進行了6層鉍錫合金實體的成形試驗，并采用WDW-10型微機控制電子式萬能試驗機對試樣的拉伸性能進行檢測，檢測結(jié)果，如表1所示。其中1#代表堆積速度v=4mm/s下所得試樣，2#代表堆積速度v=16mm/s下所得試樣，3#代表普通擠壓鑄造所得試樣。
表１拉伸性能測試結(jié)果

由表1中試樣拉伸性能測試結(jié)果可以看出：（1）提高堆積速度可以增強成形實體的拉伸性能，相比v=4mm/s下所得試樣，在v=16mm/s下所得試樣的抗拉強度提高10.9％，屈服強度提高9.8％，斷后伸長率提高12.4％；（2）一定參數(shù)條件下所打印成形錫鉍合金件與普通擠壓鑄造成形件的拉伸性能相當(dāng)。

采用JSM-6510型掃描電子顯微鏡對所拉伸試樣層間結(jié)合
情況進行觀察的結(jié)果，如圖4所示。由圖4（a）可見，v=4mm/s條件下所成形實體存在明顯的層間未融合現(xiàn)象，且局部區(qū)域存在層間縫隙，而圖4（b）所示v=16mm/s條件下所成形實體的層間結(jié)合較為致密，未見明顯分層�？梢婋S著堆積速度的增加，成形實體的層間結(jié)合性能有明顯的提高。

圖4不同堆積速度下成形實體層間結(jié)合情況低倍SEM照片

5結(jié)論
（1）隨著堆積速度的增加，金屬實體的溫度不斷升高，高溫?zé)嵊绊憛^(qū)增大，有利于增強成形件層間結(jié)合性能，提高成形件質(zhì)量。
（2）成形實體的層間結(jié)合情況隨溫度參數(shù)的升高而逐漸變好，但過高的熔融金屬及基板溫度會導(dǎo)致成形實體的局部甚至整體塌陷，本研究試驗條件下得最優(yōu)溫度參數(shù)為熔融金屬溫度160℃、基板溫度90℃。
（3）相比較小堆積速度，在較大堆積速度條件下所成形金屬實體的拉伸性能及層間結(jié)合均有明顯提高。本研究在最優(yōu)堆積速度v=16mm/s條件下，可得到層間結(jié)合良好的金屬實體，其抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率較v=4mm/s所得試樣分別提高了10.9％、9.8％和12.4％

編輯：南極熊
作者：單忠德，楊立寧，戎文娟，劉豐 （機械科學(xué)研究總院先進成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室）