激光選區熔化AlSi10Mg合金懸臂梁殘余變形的數值模擬

AlSi10Mg合金具有比強度高、密度小、導熱性好等優點,在汽車、機械、航空航天等領域有著廣泛的應用。由于其具有良好的鑄造性能,常采用直接鑄造成形。隨著鑄件的輕量化越來越受到關注,對復雜薄壁類鑄件的需求也越來越高,采用直接鑄造很難成形復雜薄壁的AlSi10Mg合金鑄件。

激光選區熔化(SLM)是一種應用前景廣闊的增材制造工藝,其優勢在于成形精細復雜的幾何結構。SLM 是利用高能激光束選擇性地熔化金屬粉末,直接成形致密的金屬零件。但由于高的溫度梯度與冷卻速度,在SLM 過程中會積累較大的殘余應力,使零件容易產生變形或開裂,降低了幾何精度。一種橋形的零件,成形之后用線切割將零件與基板分離,用零件的翹曲角度表示殘余應力的大小,結果表明,采用短線掃描和大的相位角可以減小零件的變形。一種雙臂梁,之后將零件與基板分離,懸臂梁發生翹曲變形,用變形量表示殘余應力的大小,比較了不同預熱溫度下懸臂梁的翹曲變形量,結果表明,提高基板預熱溫度可以有效地降低零件的殘余應力。SLM 成形零件中的殘余應力不僅取決于工藝參數和材料類別,還依賴于幾何結構以及刮板與零件之間的相互作用。試驗測量殘余應力不僅測量范圍小,而且周期長、成本高。數值模擬可以有效地預測SLM 成形零件的應力與變形行為,因此,越來越受到研究者關注。

目前,關于SLM 殘余應力與變形的模擬研究主要集中于單層或多層。主要是采用常規的熱-力耦合方法計算小尺寸的零件,對于大尺寸的零件采用常規的熱力耦合方法在常規計算平臺上計算時間太長,很難滿足實際工程應用的需求。國內外SLM 成形AlSi10Mg合金件研究主要集中在工藝、組織與性能的試驗研究,關于數值模擬研究殘余變形的報道較少。

為了快速預測SLM 成形零件的變形規律,采用收縮體積法模擬研究了SLM成形AlSi10Mg合金懸臂梁的變形規律。為了便于描述復雜的幾何結構,建立了懸臂梁的體像素有限元模型,探討了預熱溫度、幾何結構以及掃描方式對懸臂梁變形行為的影響。

1模型的建立

1.1SLM 成形過程建模

在SLM成形過程中,當高能激光束照射到成形區時粉末顆粒快速熔化成液相,當激光離開時液相快速凝固收縮成固體,先凝固區會對后凝固的區域產生力學約束作用,從而產生殘余應力。粉末在熔化前疏松分布在成形區,當粉末熔化成液相時體積發生收縮,液相處于零應力狀態,因此,可以忽略粉末熔化過程中的體積收縮,認為零件的變形主要是由于冷卻過程中固相的線性收縮引起的。在SLM 成形實際零件的過程中,掃描道次的尺寸相對于整個零件比較小,且每一道次經歷相似的熱循環;與此同時,零件的成形往往需要數百層甚至數千層,為了減少層間缺陷和使應力分布均勻,相鄰層還存在一定的旋轉角度,因此,物理過程非常復雜。為了簡化計算,作如下假設:①零件的扭曲變形主要是由熱應力引起的,不考慮冷卻過程中產生的相變應力;②每一層粉末是同時熔化與凝固的,忽略了復雜的掃描方式;③為了減小計算量,將多層真實的粉層合并成一層單元。

1.2幾何模型與工藝參數

采用SLM成形AlSi10Mg合金懸臂梁,懸臂梁及其支撐結構的幾何模型見圖1,其中虛線內表示輔助支撐。試驗過程示意圖見圖2,基板尺寸為74mm×14mm×2mm;懸臂梁尺寸為55mm×10mm×13mm,其厚度h 為3mm。在激光功率為195W、粉層厚度為30μm、掃描速度為800mm/s、行間距為150μm、分區掃描、層間旋轉角為67°、基板溫度為23℃的條件下,在EOS290激光選區熔化設備上成形AlSi10Mg合金懸臂梁,見圖2a。由于直接測量懸臂梁的殘余應力與變形比較困難,在成形之后采用線切割,從左到右將懸臂梁與基板分離,見圖2b。由于殘余應力釋放,使得懸臂發生翹曲變形。為了定量分析翹曲變形量,測量懸臂梁上表面沿長度方向在沉積方向上的變形量,測量點見圖2c。

圖1 懸臂梁的幾何模型圖

(a)零件成形過程

(b)切割過程

(c)零件的翹曲變形

圖2 試驗過程示意圖

1.3數學模型的建立收縮體積法適用于模擬預測大型結構焊接完成以后的殘余變形,認為殘余變形取決于焊縫在冷卻過程中的線性收縮變形。相對于熱-力耦合方法,收縮體積法不考慮復雜的物理冶金過程和隨溫度變化的物性參數,計算效率更高。利用ANSYS有限元軟件采用收縮體積法模擬了SLM過程,通過定義各向異性的熱膨脹系數,實現各個單元上熱應變的加載。

為了便于模擬SLM逐層沉積的過程和提高計算收斂性,將懸臂梁模型分層并劃分為立方體單元。在有限元模型中Y 軸正方向代表懸臂梁的沉積方向,X 軸表示懸臂梁的長度方向,Z 軸表示懸臂梁的寬度方向,其三維有限元模型見圖3。采用“生死單元”方法逐層激活相應的單元層,實現逐層沉積過程。在基板底部施加固定約束邊界條件,懸臂梁的側邊施加對稱約束條件。

圖3 懸臂梁的三維有限元模型

2試驗結果及討論

2.1材料參數與計算參數

AlSi10Mg合金的物性參數見表1。掃描方式是影響SLM成形零件的應力分布與變形的主要影響因素之一,但準確地模擬掃描方式對變形與應力的影響非常困難。通過各向異性的熱應變定性地分析不同掃描方式如X 方向交錯掃描、Z 方向交錯掃描以及67°分區掃描下SLM成形懸臂梁的變形行為,計算參數見表2。

2.2模型驗證

為了驗證建立的三維有限元模型的有效性,采用試驗數據與數值計算的結果進行了比較,見圖4。可以看出,壁厚3mm的懸臂梁在與基板分離之后的最大變形量測量值為2.22mm,模擬計算的最大變形量為1.64mm。懸臂梁在Y 方向的位移云圖見圖4b,模擬的翹曲方向與試驗結果相符,變形趨勢與試驗測量的趨勢是一致的,見圖4c。

        (b)Y方向的位移云圖                      (c)懸臂梁翹曲變形

                               圖4 懸臂梁的三維模擬結果

2.3網格尺寸與計算效率

為了研究網格尺寸對計算效率與精度的影響,對不同單元尺寸下的計算效率與最大相對誤差進行了研究,見圖5。可以看出,隨著網格尺寸的減小,計算的精度逐漸提高,但所需的計算時間也逐漸增加。當單元尺寸為0.5mm時,模型只包含22層和大約90000個單元,即一層單元相當于16、17層粉末,只需計算大約1.25h,盡管翹曲方向與變形的趨勢與試驗測量的結果相符,但最大相對誤差高達50%;將網格尺寸細化至0.2mm,模型包含55層單元和約2050000個單元,每層單元相當于6、7層粉末,需要52.5h完成計算,卻使得最大相對誤差降低至26.45%。盡管最大相對誤差達26.45%,但變形趨勢與實際情況一致。為了保證計算結果的精度,采用0.2mm的網格進行計算。

圖5 不同單元尺寸下的計算效率與最大相對誤差

2.4幾何結構與工藝參數的影響

2.4.1幾何結構對懸臂梁變形的影響

目前大多數SLM設備上沒有預熱模塊或者預熱溫度非常低。在實際過程中,為了抑制零件的變形,保證尺寸精度,主要是憑借經驗來調整零件的幾何結構如輔助支撐結構等。幾何結構不同其殘余應力與變形行為也不相同。為此研究了不同厚度懸臂梁在基板切割之后的變形規律,見圖6。由圖6a可以看出,隨著懸臂梁厚度增加,切割之后懸臂梁翹曲的變形量逐漸減小。當厚度為2mm 時,模擬計算的最大翹曲變形量為3.321mm,其位移云圖見圖6b;當厚度增加至5mm時,最大翹曲變形量減小至1.155mm,見圖6c。這是由于懸臂梁的厚度越大,其剛度也越大,自身抵御變形的能力也越強。在實際中常發現,盡管在SLM過程中會產生較大的殘余應力、甚至會在卸載基板時使基板發生上翹,但相對于橫截面厚大的結構來說,薄壁類結構更容易變形。

(a)懸臂梁沿長度方向翹曲變形結果(c)厚5mm的懸臂梁在Y方向

的位移云圖

                   圖6 不同厚度懸臂梁在基板切割之后的變形規律

2.4.2掃描方式對懸臂梁變形的影響在不同掃描方式下,懸臂梁的翹曲變形也不相同,見圖7。可以看出,隨著熱應變增加,切割之后懸臂梁在沉積方向上的變形量逐漸增加,但最大變形量的變化率更易受X 方向的熱膨脹系數影響。這是因為X 方向是懸臂梁的長度方向,始終沿長度方向掃描,會使得沿長度方向上積累過大的應力。為了減小應力積累,實際過程中層與層之間往往會存在一定的旋轉角度。

                (a)X 方向                                    (b)Z 方向

圖7 不同熱膨脹系數對懸臂梁翹曲變形量的影響

2.4.3預熱溫度對懸臂梁變形的影響在SLM過程中基板預熱不僅可以減小溫度梯度和冷卻速率,從而減小零件的變形與開裂的傾向,還可以降低AlSi10Mg合金的強度,有利于應力的釋放。但預熱溫度過高會增加生產成本,為了減小零件的變形,確定合理的預熱溫度非常必要。圖8為不同預熱溫度下厚3mm的懸臂梁在基板切割之后的變形情況,圖9為模擬計算的最大變形量與預熱溫度之間關系。在23℃預熱時,試驗測得的最大變形量是2.22mm,模擬計算的最大變形量是1.64mm,模擬與試驗值相差0.58mm;當預熱至150℃ 時,最大變形量減小至1.238mm;當預熱至250~300℃時,最大變形量減小至1mm以下。由圖9可知,隨著預熱溫度增加,切割之后零件的最大變形量逐漸減小。

         圖8 不同預熱溫度下厚3mm               圖9 模擬計算的最大變

          的懸臂梁沿長度方向的翹曲變形              形量與預熱溫度之間關系

3結論

(1)采用收縮體積法模擬預測了SLM成形AlSi10Mg合金懸臂梁的殘余變形,模擬的翹曲方向和變形趨勢與試驗測量相符。

(2)懸臂梁的變形行為與其厚度相關,厚度越大,其剛度越大,抵御變形的能力越強。厚2mm時最大翹曲變形量為3.321mm;厚5mm 時最大翹曲變形量為1.155mm。

(3)提高預熱溫度可以有效地減小零件的變形。在保證零件成形的前提下,應盡可能提高基板的預熱溫度。

河北春蕾3D打印產業園,致力于3D打印設備、工藝、材料等技術的研發和推廣,同時擁有各種材料、技術、規格3D打印設備,為您提供優質3D打印服務!

免責聲明:本文僅代表文章作者的個人觀點,與本站無關。其原創性、真實性以及文中陳述文字和內容未經本站證實,對本文以及其中全部或者部分內容文字的真實性、完整性和原創性本站不作任何保證或承諾,請讀者僅作參考,并自行核實相關內容。

http://image99.pinlue.com/thumb/img_jpg/vUh9xqJrOhfJicGmuEyCdKHaXKkx8HtBY6Lic1hR7xqtZjXnIuKEnQeL5n0j5HibeRLmukHD020V90ib3IWygwlUCw/0.jpeg
我要收藏
贊一個
踩一下
分享到
相關推薦
精選文章
?
分享
評論
首頁
七星彩17142期号码预测