案例展示金屬增材制造過(guò)程仿真分析 (下篇) - 微觀尺度

作者：郭鵬偉
安世中德增材應(yīng)用工程師，目前從事金屬增材工藝仿真、增材設(shè)計(jì)等工作。

隨著金屬增材制造過(guò)程仿真分析工具功能的進(jìn)一步增強(qiáng)，金屬增材仿真分析的價(jià)值將逐漸顯現(xiàn)。開(kāi)展多尺度的金屬增材過(guò)程仿真分析，對(duì)于降低金屬增材制造成本、提高制造質(zhì)量、縮短研發(fā)周期具有重要的意義。

微觀尺度增材制造過(guò)程仿真分析
微觀尺度增材制造過(guò)程仿真分析，主要關(guān)注熔池特征、微觀組織結(jié)構(gòu)特征及詳細(xì)的溫度變化歷史特征，通過(guò)快速計(jì)算不同工藝參數(shù)組合下熔池尺寸、未熔合產(chǎn)生的孔隙率以及微觀結(jié)構(gòu)晶粒尺寸、取向等來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)成形材料力學(xué)性能的調(diào)控。

-通過(guò)熔池尺寸特征優(yōu)化不同激光功率、掃描速率組合
金屬增材制造成形質(zhì)量很大程度上由微觀熔池尺寸特征決定，而激光功率、掃描速率是控制熔池尺寸特征的基本參數(shù)，較優(yōu)的激光功率、掃描速率匹配組合，可以避免匙孔、未熔合、球化等缺陷的產(chǎn)生。ANSYS Additive Science工具可以計(jì)算不同激光功率、掃描速率組合下的熔池尺寸，快速找到較優(yōu)的組合匹配，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化。

以某國(guó)際知名品牌激光粉末床熔化設(shè)備TC4大層厚60μm工藝參數(shù)優(yōu)化為例，計(jì)算激光功率300W~450W，掃描速率700mm/s~1600mm/s下熔池尺寸,基于熔池重熔深度達(dá)到90μm，深寬比小于0.95，長(zhǎng)寬比小于4.2為優(yōu)化準(zhǔn)則，選擇最優(yōu)激光功率、掃描速率組合匹配，圖7~9為計(jì)算結(jié)果，最終優(yōu)化的最優(yōu)匹配結(jié)果為350W、1300mm/s組合。

圖7 不同激光功率、掃描速率熔池重熔深度

圖8 不同激光功率、掃描速率熔池深寬比

圖9 不同激光功率、掃描速度熔池長(zhǎng)寬比

-分析不同掃描間距下粉末未熔合產(chǎn)生的孔隙率
確定激光功率、掃描速率的較優(yōu)匹配之后，不同的掃描間距將產(chǎn)生不同的搭接率，較大的掃描間距，可能產(chǎn)生未熔合等材料內(nèi)部冶金缺陷，較小的掃描間距可能導(dǎo)致搭接率過(guò)大，影響成形效率及表面質(zhì)量。利用ANSYS Additive Science工具計(jì)算不同掃描間距下材料未熔合產(chǎn)生的孔隙率，實(shí)現(xiàn)激光功率、掃描速率、掃描間距的綜合參數(shù)優(yōu)化。

在2.1得到的較優(yōu)激光功率、掃描速率組合匹配基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算不同掃描間距0.07mm-0.17mm下的材料未熔合孔隙率（如圖10所示），以粉末率小于0.005作為優(yōu)化準(zhǔn)則。最終優(yōu)化結(jié)果為，當(dāng)掃描間距達(dá)到0.15mm時(shí)，粉末率達(dá)到0.0047，因此，優(yōu)化結(jié)果為掃描間距將不能大于0.15mm。

圖10 不同掃描間距下粉末未熔合孔隙率

-分析不同工藝參數(shù)下晶粒尺寸、取向特征
材料的微觀組織結(jié)構(gòu)特征晶粒尺寸、形狀、生長(zhǎng)取向等決定了材料的宏觀力學(xué)性能。金屬增材制造過(guò)程中，微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)加工工藝參數(shù)具有較高的敏感性，研究工藝參數(shù)與微觀組織結(jié)構(gòu)特征的定量關(guān)系非常重要。ANSYS Additive Science工具可以計(jì)算不同工藝參數(shù)下晶粒尺寸、生長(zhǎng)取向。圖11為不同冷卻速率、掃描旋轉(zhuǎn)角度下晶粒尺寸、取向計(jì)算結(jié)果，材料為高溫合金GH4169。

圖11 不同冷卻速率、掃描旋轉(zhuǎn)角度下晶粒尺寸、取向計(jì)算結(jié)果

熔池的冷卻速率影響微觀晶粒組織，從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著冷卻速率（主要由激光功率、掃描速度決定）的增加，晶粒尺寸細(xì)化，平均粒徑大約由45μm細(xì)化到15μm，晶粒分布也越均勻。層間旋轉(zhuǎn)角度不僅對(duì)晶粒取向影響明顯，對(duì)晶粒尺寸分布影響也較為顯著，67°旋轉(zhuǎn)較79°和180°晶粒尺寸分布更加均勻。此外，從計(jì)算結(jié)果也可以看出，水平方向上晶粒組織由于散熱條件的不同，晶粒生長(zhǎng)方向各異，水平方向與垂直方向晶粒組織差異明顯。

基于晶粒尺寸定量計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)行材料宏觀力學(xué)性能預(yù)測(cè)。對(duì)于大多數(shù)材料，晶粒尺寸可以預(yù)測(cè)材料的屈服強(qiáng)度，利用Hall-Petch方程：σ0.2=σ0+Ky/d1/2 ,其中 d為晶粒直徑，σ0和Ky是材料常數(shù)，可以定量計(jì)算材料的屈服強(qiáng)度。建立工藝參數(shù)與晶粒組織的定量關(guān)系，對(duì)于精確控制成形材料的組織及力學(xué)性能具有重要意義。

-構(gòu)件幾何尺度的溫度歷史預(yù)測(cè)
金屬增材制造過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控必不可少，增材制造設(shè)備也將更加智能化，溫度傳感器（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池溫度）、光敏傳感器（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池亮度、面積）、智能鋪粉、實(shí)時(shí)成形材料缺陷監(jiān)測(cè)等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為應(yīng)用熱點(diǎn)。

利用溫度傳感器可以實(shí)時(shí)獲取熔池表面的溫度變化及分布特征，但很難精確描述熔池內(nèi)部的溫度演變歷史。利用仿真手段，對(duì)構(gòu)件幾何尺度任意區(qū)域的詳細(xì)溫度變化歷史進(jìn)行虛擬預(yù)測(cè)（如圖12所示），可以為構(gòu)件成形精度、內(nèi)部缺陷、微觀組織及力學(xué)性能的質(zhì)量追溯、分析評(píng)價(jià)提供溫度歷史數(shù)據(jù)。

圖12 溫度歷史監(jiān)測(cè)結(jié)果

—作者—
郭鵬偉
安世中德增材應(yīng)用工程師，目前從事金屬增材工藝仿真、增材設(shè)計(jì)等工作。