[發明專利]一種激光選區熔化過程中表面粗糙度控制方法

有效

• 申請號: 201811391775.0
• 申請日: 2018-11-21
• 公開（公告）號: CN109513924B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（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權代理有限公司 23211
• 代理人: 孫莉莉

本發明涉及一種激光選區熔化過程中表面粗糙度控制方法。本發明的目的是要解決現有選區激光熔化成形鎳基高溫合金粗糙度預測與控制的難題，首先采用流體力學模擬不同工藝參數下單道熔池的幾何形貌，然后預測不同單道熔池成型后的粗糙度，最后通過實驗驗證了溫度場模型預測表面粗糙度的準確性，揭示了選區激光熔化成型工藝參數對表面粗糙度的影響機制，提高研究和生產的效率。

技術領域

本發明涉及一種激光選區熔化過程中表面粗糙度控制方法。

背景技術

激光選區熔化是一種基于粉床沉積的增材制造技術，與傳統制造相比具有明顯的優勢，如設計自由、近凈成型制備、有效使用材料節約成本、快速制備縮短生產周期等。該方法通過材料的逐層累加完成制造，因此克服阻礙復雜零部件創造和設計的約束條件。目前，部分復雜難成型金屬零部件通過激光選區熔化制備性能已達到鍛件水平，在航空航天領域擁有巨大應用價值。

鎳基高溫合金是目前高溫合金中應用最廣、高溫強度最高的一類合金，其在650-1000℃范圍內具有較高的強度和良好的抗氧化性、抗腐蝕能力。激光選區熔化成型鎳基高溫合金相比于傳統的鑄鍛焊工藝具有快速成型復雜結構零件的優勢，因此激光選區熔化成型鎳基高溫合金是各國科研人員競相研究的焦點。然而由于鎳基高溫合金熱端零部件具有復雜的內部型腔和孔道，這些特殊的內部結構對后期精加工造成重要挑戰。因此，研究控制成型表面粗糙度的方法變得越來越迫切，即可提高型腔表面完整性改善高溫高壓高載荷下服役熱端部件的磨損特性和疲勞壽命，又能減小精整加工余量提高效率。

選區熔化鎳基高溫合金零部件表面的粗糙度不僅取決于設備本身的精度，而且還與成型過程中加工參數的選擇有重要的相關性，由于激光選區熔化過程溫度梯度高激光粉體作用時間短，實時觀察和控制表面粗糙度仍然是重要的挑戰。

發明內容

本發明目的是要解決現有選區激光熔化成形鎳基高溫合金粗糙度預測與控制的難題，首先采用流體力學模擬不同工藝參數下單道熔池的幾何形貌，然后預測不同單道熔池成型后的粗糙度，最后通過實驗驗證了溫度場模型預測表面粗糙度的準確性，揭示了選區激光熔化成型工藝參數對表面粗糙度的影響機制，提高研究和生產的效率。

本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現：

一種激光選區熔化過程中表面粗糙度控制方法，利用ANSYS Fluent 16.0商業軟件對選區激光熔化過程的單道熔池形貌進行模擬計算，通過對激光熔化成型過程中的動量、能量方程設置源項，來模擬熔池形態的變化規律，包括：(1)設定激光微熔池作用過程中受力源項方程。(2)利用VOF算法對計算域內流體相界面進行追蹤。(3)設置選區激光熔化模擬初始和邊界條件。

一種激光選區熔化過程中表面粗糙度控制方法，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，完成激光選區熔化單道熔池動態成形數值模擬；

(7)利用NRD-SLM-300型激光選區熔化設備選區部分參數對模型進行驗證。