[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

说明书

本发明公开了一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，属于金属增材制造领域。包括步骤：于有限元软件ANSYS APDL中建立包括基板和成形件的三维模型；设置实体材料参数和粉末材料参数，并分别赋予基板和成形区域，且进行网格划分；设置初始条件和边界条件，并通过生死单元技术实现层间铺粉、逐层成形；确定热源控制方程和激光热源方程，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；求解以获取温度场数据进行分析。本发明提供的选区激光熔化有限元模拟方法，能为优化增材制造316L不锈钢的成形工艺提供参考和理论依据，可以有效减少试错实验、降低实验成本等。

技术领域

本发明属于金属增材制造模拟领域，具体涉及一种针对316L不锈钢的选区激光熔化成形过程的热行为预测方法，该方法能够较准确预测316L不锈钢激光选区熔化成形过程中的温度场分布规律，为金属增材制造工艺优化提供理论模型，可以减少实际实验带来的成本。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)，俗称3D打印，是近年快速发展的一项高端、特殊制造技术。它是基于数字三维建模，融合计算机辅助设计、材料加工、材料成型技术，利用金属、非金属材料或生物材料等，按照层层叠加、分层制造的离散—堆积原理，自下而上快速制备工件的制造技术。相比“减材制造”、“等材制造”等传统工艺，增材制造技术具有广泛的材料适应性、较强的灵活性、缩短制造时间从而降低成本等优点，因而广泛应用于航天航空、电器、铸造、建筑等行业。

金属增材制造技术是未来开发功能性零件的一个重要方向，包括选区激光熔化、电子束选区熔融、激光熔化沉积、电子束熔丝沉积、电弧增材制造等。其中选区激光熔化技术(SLM)具有成形精度高、高效致密等突出优点，是该领域广泛使用，且较为成熟的技术。选区激光熔化技术是利用高能量的激光束按照规定的路径扫描预先平铺的金属粉末，使其先快速熔化、后快速冷却凝固，逐道逐层叠加形成实体的技术。选区激光熔化技术的控制参数主要有四个方面，分别是固有参数、材料属性、加工环境和工艺参数。其中，工艺参数是影响选区激光熔化成形的关键因素，在一定程度上直接影响成形件的性能。如果选择取不当，在成形件中会出现较多的未熔融粉末、孔隙或气泡等缺陷，也可能出现翘曲、变形、裂纹等现象。

实际上，选区激光熔化成形过程较为复杂，是一个快速非平衡凝固且包含多种传热、相变物理冶金过程。如果采用实验研究方法，需要较高精度的检测设备，且可能需要进行重复实验，这不仅意味着研究成本的大幅增加，也会造成人力物力的大量耗费。对成形过程采用数值模拟的方法不仅可以弥补这一缺陷，判断新工艺参数是否满足需要，同时可直观观察SLM成形过程中温度变化，有利于SLM成形件内部缺陷、微观组织形成原因的深入研究。有限元方法是目前金属增材制造模拟中较为主流的方法，但目前这个方法往往是忽略打印过程中金属流体流动方面的计算，目的是为减少总计算量，达到能模拟更大体积目的；另外，这种方法会忽略了粉末对整体模型的影响，从而导致整体模型与实际情况有较大的误差。因此，本发明专利中的有限元方法避免了上述缺陷，既充分考虑熔池流体流动，也充分考虑了粉末对整体模型的影响，最终形成本专利中的新型有限元模型。利用该新型模型来分析SLM制备316L不锈钢成形过程中热行为变化，可快速且准确获得相关数据，为工艺参数的优化提供有价值的参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种选区激光熔化成形316L不锈钢热行为预测的有限元模拟方法，可以模拟选区激光熔化成形方式中单层单道、单层多道、多层单道及多层多道等成形件中温度场的分布规律，为优化该成形方式的工艺参数提供依据，可以有效减少试错实验、降低实验成本等。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

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，包括如下步骤：

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；