能量密度对于选区激光熔化成型Ti6Al4V合金缺陷特征的影响

摘要

激光选区熔化技术（SLM）的成型质量受各种因素影响，其中，工艺参数对成型件的冶金缺陷影响最为显著，而熔池特性的研究则是判断激光增材制造成型质量的有力手段。本文建立SLM成型Ti6Al4V粉体3维瞬态热流场数值模型，利用优化后的数值模型分析熔池的动态演变机制，并在计算流体动力学中利用无量纲数定量描述工艺参数固定情况下熔池的动态演化，结合数值模拟和仿真实验分析球化、孔洞、黏粉和飞溅等缺陷形成机理，探究线能量密度和体能量密度对成型缺陷的影响规律，揭示SLM成型件冶金缺陷的形成机理与抑制方法，并提出一种“工艺参数-熔池特征-成型质量”一体化的方法预测成型质量。此外，本文还分析Ti6Al4V的加工工艺参数与熔池特征和增材制造成型质量的影响关系，包括关键加工参数对熔池热流场的影响，通过结果对比来探究工艺参数对加工质量的影响规律，为优化加工参数提供指导作用，节省大量的时间和成本。结果表明：熔池的主要传热方式为热对流，熔池演变的主要驱动力是蒸发反冲压力、表面张力和马兰戈尼剪切力。随着能量密度的降低，熔池流动性减弱，熔池尺寸表现出一定的规律性。熔融金属在表面张力的驱动下，往往会降低表面能凝固成球状，导致逐层成型后块体内部形成大量孔洞缺陷，严重影响试样的力学性能。因此，为获得力学性能良好的试样，必须精确控制能量密度，防止熔池流动性变化导致内部孔洞缺陷的形成。

关键词

选区激光熔化 / 熔池 / Ti6Al4V / 加工缺陷 / 工艺参数