[發(fā)明專利]一種激光選區(qū)熔化過程中表面粗糙度控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811391775.0
• 申請日: 2018-11-21
• 公開（公告）號: CN109513924B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設計）人: 王亮;姚龍輝;馬威;王紅英;蘇彥慶
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00;B33Y50/02
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產(chǎn)權代理有限公司 23211
• 代理人: 孫莉莉

1.一種激光選區(qū)熔化過程中表面粗糙度控制方法，其特征在于，具體是按以下步驟進行的：

(1)利用相關前處理軟件，對計算域建模并劃分六面體網(wǎng)格；

(2)簡化條件與模型初始化；

(3)加載熱原模型；

(4)針對不可壓縮的粘性流體，添加質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程；

(5)激光熔池相互作用受力源項的添加包含熱浮力、熔體汽化反沖壓力和Marangoni力；

(6)利用ANSYS Fluent 16.0軟件對流場計算域內的代數(shù)方程組反復進行迭代計算，直至滿足所設定的迭代精度為止，完成激光選區(qū)熔化單道熔池動態(tài)成形數(shù)值模擬；

(7)利用NRD-SLM-300型激光選區(qū)熔化設備選取部分參數(shù)對模型進行驗證；

步驟(2)中，所述簡化條件與模型初始化：

(a)當激光將粉末材料熔化后，與致密金屬有相同性質，假設激光直接作用于致密的金屬材料；(b)假設熔池的流動形式為層流、不可壓縮的粘性流體；(c)忽略激光光壓影響；(d)由于氣泡無充足長大時間，設置熔體氣化形成的氣體為不可壓縮理想氣體；(e)不考慮基體上方的粉末層熔化；

步驟(5)中，所述激光熔池相互作用受力源項的添加包含熱浮力、熔體汽化反沖壓力和Marangoni力；

熱浮力

表面張力和反沖壓力轉化體積力

式中F_b表示熔體浮力，ρ為材料處于熔點時的密度，β為材料的熱膨脹系數(shù)，T為熔池當前溫度，T_m為材料熔點，σ_ij為i，j兩相的表面張力，k_i為界面處的曲率半徑，為界面處的法向量，ρ_i為i相的密度，ρ_j為j相的密度；

步驟(1)中，所述計算域劃分為兩個區(qū)，一個區(qū)域初始化為GH4168材料，另一個區(qū)域為GH4169材料上方的保護氣體，網(wǎng)格的劃分依據(jù)這兩個區(qū)域的特性，網(wǎng)格單元的尺寸為0.008mm×0.008mm×0.008mm，加密域的網(wǎng)格總數(shù)量為129350個；

步驟(3)中，所述加載熱原模型為旋轉高斯曲面熱源模型，熔池中各點所受到熱量如下式所表示：

Q＝P_laser*η

式中q為熔池不同位點的熱量輸入，Q為激光的有效功率，R為激光光斑半徑，H表示熱源深度，η為材料對激光的吸收系數(shù)；

步驟(4)中，所述針對不可壓縮的粘性流體，添加質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程：

質量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

式中ρ為材料密度，M為質量方程源項，為熔體流動速度，μ為熔體粘度，P為壓強，F(xiàn)為體積力，k為熱導率，S_H為能量方程源項；

步驟(6)中，所述利用ANSYS Fluent 16.0軟件對流場計算域內的代數(shù)方程組反復進行迭代計算，直至滿足所設定的迭代精度為止，完成激光選區(qū)熔化單道熔池動態(tài)成形數(shù)值模擬：

初始條件：T(x，y，z，0)＝T₀

u＝v＝w＝0

邊界條件：

q_c＝h_c(T-T_a)

式中q_c為對流換熱，q_r為輻射換熱，T_a為環(huán)境溫度，ε為輻射系數(shù)，K_B為玻爾茲曼常數(shù)，h_c表示對流換熱系數(shù)，u，v，w分別為質量、動量和能量；

步驟(7)中，所述利用NRD-SLM-300型激光選區(qū)熔化設備選取部分參數(shù)對模型進行驗證，實驗的工藝參數(shù)范圍為：粉層厚度為40μm，激光功率200-400W，掃描速率0.4-1.6m/s。