[发明专利]一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法

权利要求书

1.一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：在有限元软件ANSYS APDL中建立三维几何模型，包括基板和成形层；

步骤2：设置两种材料参数，即实体材料参数和粉末材料参数，分别赋予基板和成形区域；同时对基板和成形区域进行网格划分，分别采用自由网格划分和六面体网格划分；

步骤3：设置初始条件和边界条件，同时通过生死单元技术实现层间铺粉、逐层成形；

步骤4：确定热源控制方程和激光热源方程，

其中，激光热源方程利用APDL中的函数编辑器导出热源命令流，且利用局部坐标实现激光热源的移动；

在成型过程中，激光释放总热量包括激光热源与粉末之间的热辐射、粉末与外界环境的热对流、粉末与基板/粉末的热传导；SLM成型过程具有非线性瞬态热传导的特点，满足三维瞬态热传导控制微分方程，公式如下：

式中，ρ为材料的密度，kg/m³；t为时间，s；kx、ky、kz为x、y、z方向上的导热系数，W/m·k；c为比热容，J/kg·k；Q为单位体积内热生成量，即粉末吸收熔化的热量，W/Kg；本模拟假设各向同性，同时考虑熔池对流是使用增强各向同性导热系数，即当未超过熔点时，kx＝ky＝kz＝k；当超过熔点后，kx＝ky＝kz＝k×1.4；

热源实施选用指数衰减的体热源，激光热源公式如下：

式中：P为激光功率；x、y、z为激光焦点坐标；r_l为激光功率的半径，本模拟实施的激光半径为40um；H为打印层厚，取0.03mm；β为激光吸收率，取0.27；

步骤5：求解以获取温度场数据进行分析。

2.根据权利要求1所述的一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，其特征在于：步骤1所述基板与成形层的单元类型均采用SOLID 70。

3.根据权利要求1所述的一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，其特征在于：所述步骤2中，所述两种材料参数包括密度、导热系数和比热容、焓值。

4.根据权利要求3所述的一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，其特征在于：

如温度未超过熔点，粉末材料的导热系数为实体材料导热系数的1％；超过熔点时，粉末材料的导热系数与实体材料的导热系数一致；

金属粉末的密度为实体材料密度的0.6；

金属粉末的比热容与实体材料的比热容一致。

5.根据权利要求1所述的一种针对316L不锈钢选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，其特征在于：所述步骤3中，模型的初始条件中的初始温度为25～70℃；边界条件包括热对流和热辐射，热对流的对流系数取25W/m.K，热辐射的辐射系数取0.3。

6.根据权利要求1所述的一种针对316L不锈钢选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，其特征在于：步骤3所述生死单元技术中的设置具体为首先将全部成形层设置为“死单元”，通过APDL命令流根据成形情况逐层激活，使加工层变为“生单元”；其次，层间叠加前，增加3s铺粉时间，符合实际打印过程。

7.根据权利要求1所述的一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，其特征在于：步骤(4)中模拟实施的扫描时间即扫描速度是根据热源加载的荷载步计算；激光热源方程先利用APDL函数编辑器进行改写，后定义局部坐标，利用局部坐标移动激光热源，使热源按照规定的路径运行。