激光選區(qū)熔化成形鈦合金零件工藝仿真研究*

王衛(wèi)東，劉建光，劉 倩，胡震東，張嘉振

（1.中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京 102211；2.民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211）

激光選區(qū)熔化（Selective laser melting，SLM）以高能激光束為熱源，通過(guò)周而復(fù)始地熔化凝固金屬粉末，可快速將三維數(shù)字模型成形為金屬零件[1-4]。與傳統(tǒng)加工制造方式相比，采用SLM 技術(shù)可極大提升設(shè)計(jì)自由度，尤其對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的航空零件來(lái)說(shuō)，更能極大地保證成形零件與設(shè)計(jì)模型的一致性[5]。同時(shí)，SLM 工藝能大大縮短復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)制造周期[6]。正因?yàn)樵摷夹g(shù)有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，目前，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[7]。

采用SLM 工藝成形時(shí)，金屬粉末熔化凝固的速率超高，可達(dá)到107K/s，因此成形零件的微觀組織均勻，晶粒細(xì)小，綜合機(jī)械性能優(yōu)異[8]。但同時(shí)由于溫度梯度高，金屬零件內(nèi)部殘余應(yīng)力較大。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，成形中發(fā)生開裂、翹曲、變形，甚至成形失敗的可能性增加[9-10]。選擇合理的工藝參數(shù)可顯著提高零件的制造成功率[11]，因此，非常有必要在生產(chǎn)制造前對(duì)零件進(jìn)行工藝仿真，評(píng)估零件的殘余應(yīng)力及變形情況，為成形方向擺放、支撐添加以及工藝參數(shù)的設(shè)置提供精確的指導(dǎo)[12-13]。

目前，已有多款分析軟件可對(duì)SLM 過(guò)程進(jìn)行工藝仿真分析[14]，例如ANSYS Additive[15-16]、Simufact Additive[17]、ABAQUS Additive[18-19]、Inspire Print3D 等。盧慶勇等[20]采用Simufact Additive 軟件對(duì)鈦合金支架進(jìn)行了支撐優(yōu)化分析，分析結(jié)果表明支撐結(jié)構(gòu)有效降低了零件的變形值，鏤空支撐一定程度上可對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。陶攀等[21]預(yù)測(cè)了SLM 成形AlSi10Mg 合金懸臂梁的變形情況，研究結(jié)果表明模擬的翹曲方向和變形趨勢(shì)與試驗(yàn)測(cè)量值具有非常高的吻合性。李禮等[22]模擬了航空零件支臂和導(dǎo)向葉片的成形過(guò)程，結(jié)果表明工藝仿真的變形位置及變形量與實(shí)際打印完全吻合。劉賀等[23]對(duì)4 種不同支撐方案的衛(wèi)星典型支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了SLM 工藝模擬，通過(guò)分析4 種支撐方案的應(yīng)力和變形情況形成了最佳成形方案。倪辰旖等[24]通過(guò)建立“熱源-局部-結(jié)構(gòu)件”三級(jí)遞進(jìn)模型，對(duì)結(jié)構(gòu)件的變形量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明仿真的零件變形趨勢(shì)與實(shí)際打印相近，仿真誤差小于20.5%。

本文采用Inspire Print3D 軟件對(duì)鵝頸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝仿真模擬，研究成形姿態(tài)、支撐結(jié)構(gòu)和激光功率對(duì)成形零件應(yīng)力和變形的影響，為后續(xù)SLM 成形鵝頸鏈結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。

方法及模型

本文采用彈塑性材料本構(gòu)模型，考慮材料熔點(diǎn)溫度和不同溫度下的楊氏模量及熱膨脹系數(shù)。在成形的過(guò)程中和打印結(jié)束后，成形零件與基板、外部環(huán)境不斷進(jìn)行熱量的交換，因此零件的溫度不斷下降。本文考慮的熱量交換方式為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，由于零件不同部位冷卻速度有差異，這使得局部應(yīng)力過(guò)大，最終表現(xiàn)為零件發(fā)生變形。

熱對(duì)流指固體表面與周圍流體之間由于存在溫差而引起的熱量交換方式，遵從牛頓冷卻定律，如式（1）所示。

其中，q是熱流密度，W/m2；熱對(duì)流系數(shù)hc=5W/（m2·K）；Ts是固體表面溫度，取值為293K；T∞是周圍流體溫度，取值為1878K。

熱輻射指物體發(fā)射電磁能，被其他物體吸收再轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^(guò)程。物體之間的輻射換熱采用Stefan-Boltzmann 方程計(jì)算，如式（2）所示。

其中，Q是熱流率，W；發(fā)射率εr=0.54；β是Stefan-Boltzmann 常數(shù)，取5.67×10-8W/K4；Ts是固體輻射面的溫度；T∞是周圍流體的溫度。

機(jī)械變形采用式（3）進(jìn)行計(jì)算：

其中，εe為彈性模量；εp為塑性應(yīng)變；εth為熱應(yīng)力。

εth通過(guò)以下公式計(jì)算得出：

其中，ΔT為加熱時(shí)間；Plaser為激光功率；Dlaser為激光直徑；epowder為鋪粉厚度。

本文研究的航空零件為鵝頸鏈，結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料為Ti-6Al-4V合金，材料的熱物理參數(shù)如表1所示，工藝仿真成形參數(shù)如表2所示，不同溫度下的楊氏模量與熱膨脹系數(shù)如圖2所示。

表1 Ti-6Al-4V 材料熱物理化學(xué)參數(shù)Table 1 Thermophysical and chemical parameters of Ti-6Al-4V

表2 工藝仿真成形參數(shù)Table 2 Process simulation forming parameters

圖1 鵝頸鏈結(jié)構(gòu)模型及尺寸示意圖Fig.1 Structure model and size diagram of gooseneck

圖2 不同溫度下Ti-6Al-4V 合金的楊氏模量及熱膨脹系數(shù)Fig.2 Young’s modulus and thermal expansion coefficient of Ti-6Al-4V alloy at different temperatures

模型的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1mm。成形姿態(tài)設(shè)置為臥姿與站姿兩種（圖3），支撐結(jié)構(gòu)分為弱支撐和強(qiáng)支撐兩種（圖4），激光功率分別采用250W、275W、300W、325W、350W、375W 和400W。

圖3 兩種擺放方式下鵝頸鏈成形示意圖Fig.3 Schematic diagram of gooseneck formation in two ways

圖4 兩種支撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of two support structures

結(jié)果與討論

1 成形姿態(tài)對(duì)應(yīng)力與變形的影響

本文模擬了兩種擺放條件下鵝頸鏈結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形情況。圖5和圖6分別示出了兩種成形姿態(tài)下鵝頸鏈結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形結(jié)果。圖5的默認(rèn)成形工藝為激光功率250W，支撐結(jié)構(gòu)為強(qiáng)支撐，圖6的成形條件除姿態(tài)外，其他工藝條件與圖5完全相同。對(duì)比兩種成形姿態(tài)下的變形及應(yīng)力結(jié)果可以看出，臥姿成形時(shí)的零件最大變形位置為鵝頸鏈頂部尖端處，最大變形量為3.741mm，應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在底部螺栓處，最大應(yīng)力為883.1MPa。而以站立姿態(tài)成形時(shí)，零件產(chǎn)生最大變形和應(yīng)力最大處都為鵝頸鏈背部中間位置和底部螺栓孔處，最大變形量為3.833mm，最大應(yīng)力為836.2MPa。同時(shí)對(duì)比零件變形量大于1.9mm 的結(jié)果可以看出，臥姿成形的變形主要集中在零件頂部尖端處，而站姿成形的變形出現(xiàn)在底部螺栓孔處。臥姿成形條件下，應(yīng)力大于380MPa 的位置為中腹部位置、底部螺栓孔及頂部尖端處，而以站姿成形時(shí)則主要集中在底部螺栓孔、背部與腹部的中間位置處，頂部尖端處未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力累積。

圖5 默認(rèn)工藝下SLM 成形鵝頸鏈零件的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of SLM forming gooseneck parts under default process

圖6 站立成形姿態(tài)下SLM 成形鵝頸鏈零件的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of SLM forming gooseneck parts under standing forming attitude

與臥立姿態(tài)成形相比，站立姿態(tài)成形的支撐結(jié)構(gòu)較少，熱量傳導(dǎo)效率較低，從圖7兩種成形姿態(tài)下的溫度演變結(jié)果可以看出，站姿成形時(shí)的零件溫度更高，因此產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力較高，最終零件整體變形量較大。兩種成形姿態(tài)下的零件中部位置處都易產(chǎn)生應(yīng)力累積及較大變形的主要原因是，在該位置處零件與支撐結(jié)構(gòu)有大面積的接觸，成形時(shí)的熱量很難通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)完全傳遞到基板，從而導(dǎo)致熱量累積，最終在零件中部位置處殘留較高的熱應(yīng)力和發(fā)生較大變形。

圖7 兩種成形姿態(tài)下的溫度演變結(jié)果Fig.7 Temperature evolution results of two forming attitudes

2 支撐強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力及變形的影響

本文模擬了兩種支撐強(qiáng)度條件下鵝頸鏈零件的應(yīng)力及變形情況，圖8為弱支撐條件下的工藝仿真結(jié)果，與圖5相比，除支撐強(qiáng)度不同外，其他工藝條件完全相同。對(duì)比圖5和圖8可以看出，兩種支撐強(qiáng)度條件下，零件的最大變形位置都為鵝頸鏈頂部尖端和底部螺栓孔處，最大變形量分別為3.741mm 和3.744mm，零件的熱應(yīng)力最大位置為底部螺栓孔、中腹部和頂部尖端處，最大應(yīng)力分別為883.1MPa 和869.7MPa。兩種支撐結(jié)構(gòu)的最大變形量基本相同，但是對(duì)比變形量大于1.9mm 的結(jié)果可以看出，弱支撐結(jié)構(gòu)的頂部尖端處有更多的區(qū)域變形超過(guò)1.9mm，并且應(yīng)力大于380MPa 的區(qū)域面積也要超過(guò)強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)。

圖8 弱支撐結(jié)構(gòu)條件下SLM 成形鵝頸鏈零件的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of SLM forming gooseneck parts under weak support structure

通過(guò)分析以上仿真結(jié)果可以得到，在弱支撐結(jié)構(gòu)條件下熱量的傳導(dǎo)效率降低，大量的熱量累積在零件內(nèi)部，最終以殘余熱應(yīng)力的形式留在零件中。而當(dāng)累積的殘余熱應(yīng)力大于支撐結(jié)構(gòu)的拉力時(shí)，零件結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。在實(shí)際成形制造中，由于大尺寸零件的制造成本更高，因此為了提高制造成功率，通常會(huì)在確保支撐可去除情況下，盡可能增加支撐的強(qiáng)度，既保證成功成形，還可以有效地傳遞熱量，降低零件內(nèi)部的殘余熱應(yīng)力和尺寸變形。

3 激光功率對(duì)應(yīng)力及變形的影響

本文研究了4 種激光功率下鵝頸鏈結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形情況。圖9為激光功率為350W 時(shí)的工藝仿真結(jié)果，與圖5相比，除激光功率不同外，其他工藝條件完全相同。對(duì)比兩種激光功率條件下的仿真結(jié)果可以看出，350W 激光功率條件下零件在頂部尖端處的最大變形量更大，為3.915mm，在底部螺栓孔位置處應(yīng)力最大，為925.5MPa，其變形量和應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于250W 激光功率條件下的結(jié)果。同時(shí)，對(duì)比變形量大于1.9mm 的結(jié)果可以看出，350W 激光功率條件下，零件底部螺栓孔靠上的部分區(qū)域變形量也超過(guò)了1.9mm。而對(duì)比應(yīng)力超過(guò)380MPa 的分布區(qū)域可以看出，兩者無(wú)明顯差異。

圖9 350W 激光功率條件下SLM 成形鵝頸鏈零件的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of SLM forming gooseneck parts under 350W laser power

與250W 激光功率成形相比，350W 成形條件下的熱輸入量過(guò)大，過(guò)多的熱量無(wú)法通過(guò)支撐和實(shí)體零件傳遞到基板上。因此，最終累積在零件內(nèi)部，累積的熱量導(dǎo)致形成殘余熱應(yīng)力，當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力不足以抵消殘余熱應(yīng)力時(shí)，零件發(fā)生變形。支撐結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力的差值越大，零件的變形量也就越大。

同時(shí)，圖10 詳細(xì)列出了不種激光功率下SLM 成形鵝頸鏈結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形結(jié)果。隨著激光功率的增加，鵝頸鏈零件的最大變形量先減小，再增大至基本穩(wěn)定，在激光功率為375W 時(shí)的最大變形量達(dá)到最大值，為3.920mm。最大應(yīng)力隨激光功率的增加先升高，然后保持不變，在300W 時(shí)最大應(yīng)力達(dá)到峰值，為931.7MPa。在其他工藝參數(shù)不變的情況下，激光功率對(duì)成形時(shí)的能量輸入起決定性作用。合理的能量輸入可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的成形效果，如250W 時(shí)的成形，零件最大變形量與最大應(yīng)力值都最小。

圖10 不同激光功率下SLM 成形鵝頸鏈零件的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of SLM forming gooseneck parts under different laser powers

圖11 為采用優(yōu)化工藝參數(shù)成形的鵝頸鏈零件。

圖11 SLM 工藝成形的鵝頸鏈零件Fig.11 Goose-neck parts formed by SLM

結(jié)論

本文基于熱固耦合算法，利用Inspire 軟件研究了成形姿態(tài)、支撐結(jié)構(gòu)和激光功率對(duì)SLM 成形鵝頸鏈結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的影響，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析得到以下主要結(jié)論。

（1）成形姿態(tài)對(duì)SLM 成形鵝頸鏈結(jié)構(gòu)的變形位置及應(yīng)力累積位置有非常重要的影響，臥姿成形的零件最大變形位置為鵝頸鏈頂部尖端處，應(yīng)力最大處為底部螺栓孔，站姿成形的零件最大變形和應(yīng)力最大處都為鵝頸鏈背部中間位置和底部螺栓孔處。

（2）弱支撐成形條件下，零件變形超過(guò)1.9mm 和應(yīng)力大于380MPa的區(qū)域都超過(guò)強(qiáng)支撐。

（3）隨著激光功率的增加，鵝頸鏈零件的最大變形量先減小，再增大至基本穩(wěn)定，最大應(yīng)力先升高，然后保持不變。