趙國棟，王 昊，趙建平

1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816 2.江蘇省極端承壓裝備先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211816

0 前言

增材制造技術(shù)是根據(jù)三維數(shù)字模型，采取逐層疊加的方式直接加工出零件的一類技術(shù)，具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化和定制化等特點(diǎn)，以其為代表的新制造技術(shù)將推動(dòng)第三次工業(yè)革命[1]。早在20世紀(jì)90年代，有關(guān)人員就開始研究非金屬材料的增材制造，后來又逐漸發(fā)展為金屬材料的制備[2]。激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering，SLS）因其所使用的粉末材料的特性，無需模具就可將金屬和非金屬粉末直接燒結(jié)成近凈形致密零件，為制備金屬零件提供了一種最直接的方法。隨著大功率激光器性能的不斷提高，SLS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了向激光選區(qū)熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）的過渡，SLM技術(shù)通過能量很高的激光束照射到預(yù)先鋪設(shè)的金屬粉末上，將其直接熔化并凝固、成形，從而獲得金屬制件。影響SLM成形制件性能的因素很多，包括材料各組分的配比、粉末的大小、激光光斑直徑，以及掃描功率、速度、間距、基板預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)。其中工藝參數(shù)直接影響溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布，從而對(duì)零件的性能產(chǎn)生影響。

顧冬冬等人研究了銅基合金的加工參數(shù)和孔隙率的關(guān)系[3]，發(fā)現(xiàn)體能量密度對(duì)孔隙有很大影響，提高能量密度有利于制件致密化，消除孔隙，但體能量密度過高則會(huì)導(dǎo)致孔隙率上升；Ghosh等研究了Al2O3、TiC的SLM工藝參數(shù)優(yōu)化成形實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明掃描距離、粉末材料組成和層厚是成形件密度的主要影響因素，且激光功率、掃描距離和層厚是影響顯微硬度以及多孔性的重要參數(shù)[4-5]。沈顯峰等人[6]在考慮相變潛熱和隨溫度而變化的熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流和輻射的影響下，建立了三維瞬態(tài)有限元模型，對(duì)25號(hào)鋼進(jìn)行了直接選區(qū)激光燒結(jié)數(shù)值模擬。池敏等人[7]利用子程序?qū)?16L材料的粉體-液體-實(shí)體狀態(tài)帶來的影響進(jìn)行了綜合考慮，研究了激光功率和掃描速率對(duì)粉床熱行為的影響規(guī)律。鄭東來[8]研究了掃描速度對(duì)H13鋼致密度的影響，發(fā)現(xiàn)低掃描速度會(huì)導(dǎo)致粉體吸收過多能量，引起嚴(yán)重球化和低致密度，掃描速度過高又會(huì)導(dǎo)致粉末熔化不充分從而使得制件致密度同樣較低。

本研究通過ABAQUS及其子程序DFLUX、UMATHT和USDFLD實(shí)現(xiàn)了對(duì)SLM成形GH4169過程溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的模擬，分析不同工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描間距）對(duì)溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，為提高成形件的性能提供了一定的參考。

1 有限元模型的建立

1.1 基本傳熱控制方程

選區(qū)激光熔化的過程是金屬粉末在高能量激光的照射下迅速熔化并快速冷卻為固體的熱傳遞過程，此傳熱過程為非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，其傳熱控制方程[9]如下：

式中ρ為材料密度（單位：kg/m3）；c為材料比熱容（單位：J/（kg·K））；T為材料某一時(shí)刻溫度（單位：℃）；t為時(shí)間（單位：s）；Q為單位體積生熱量（單位：J/mm3）；kx、ky、kz分別為x、y、z三個(gè)方向上的熱傳導(dǎo)率（單位：W/（m·K）），假設(shè)材料為各向同性，那么kx=ky=kz=k。

1.2 初始條件和邊界條件

要解式（1）的熱平衡方程，就必須對(duì)初始條件和邊界條件進(jìn)行指定。溫度初始條件是指在激光照射前金屬粉末的溫度，溫度場(chǎng)的初始條件可由式（2）表示[10]：

整個(gè)增材制造過程中，粉床的散熱主要表現(xiàn)為對(duì)流傳熱和熱輻射，故溫度場(chǎng)邊界條件可表示為：

式中ke為粉床的有效導(dǎo)熱系數(shù)；T為金屬粉末某一時(shí)刻的溫度；TE為環(huán)境溫度；h為對(duì)流換熱系數(shù)；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，約為5.67×10-8W/（m2·K4）；εθ為物體的有效輻射率（黑度）；q為熱流密度。

1.3 材料屬性

為防止基板與熔覆層連接處由于材料屬性差異過大而引起過大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致變形和根部開裂，本文金屬粉床和基板材料均為GH4169，熔化溫度范圍在1 260～1 320℃，取1 320℃為熔點(diǎn)，其熱物性參數(shù)和高溫力學(xué)參數(shù)包括彈性模量E、熱膨脹系數(shù)λ、熱導(dǎo)率κ、比熱容c、泊松比ν、屈服強(qiáng)度σS、密度ρ如圖1所示[11]。

圖1 GH4169材料參數(shù)Fig.1 GH4169 material parameters

1.4 移動(dòng)熱源的加載

由于金屬粉末顆粒較小，激光能量較高，當(dāng)激光照射到粉床上時(shí)具有一定的穿透性，故不能將移動(dòng)熱源當(dāng)成面熱源，文中采用三維高斯體熱源[12]。

式中P為激光功率；A為金屬粉末對(duì)激光能量的吸收率，取0.38[13]；r為激光光斑半徑；η為激光穿透深度；x、y、z為激光光斑中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)值；x0、y0為激光光斑中心起始坐標(biāo)。三維高斯體熱源在ABAQUS中通過調(diào)用子程序DFLUX實(shí)現(xiàn)。

1.5 相變潛熱的處理

SLM過程中金屬粉末的材料狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)的相變，相變會(huì)伴隨著能量的吸收或放出，采用等效比熱容法來處理相變潛熱，修正公式如下[14]：

式中c*為等效比熱容；c為材料真實(shí)比熱容；TS為固相線溫度；TL為液相線溫度；ΔH為相變潛熱。

1.6 粉床的有效導(dǎo)熱系數(shù)的確定

在選區(qū)激光熔化過程中，金屬粉末受熱熔化為液態(tài)并迅速凝固為固態(tài)，液態(tài)和固態(tài)都是實(shí)體狀態(tài)，實(shí)體狀態(tài)和粉體的導(dǎo)熱系數(shù)存在很大差異，必須加以區(qū)分。假設(shè)所有粉末顆粒都是球體且不存在接觸變形，粉床的有效導(dǎo)熱系數(shù)模型可表示為[10]

式中ke為粉末有效導(dǎo)熱率；kg為環(huán)境氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；ks為固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)；φ為粉體的初始孔隙率；kr為粉床中由輻射引起的導(dǎo)熱系數(shù)，可表示為kr=4FσTh2Dh，其中σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，Th為粉末顆粒的溫度，Dh為粉末顆粒的平均直徑，文中約為40 μm，F(xiàn)為表觀系數(shù)，近似取為1/3。

當(dāng)材料溫度處于固相線與熔點(diǎn)溫度之間，熔融金屬粉末導(dǎo)熱率隨溫度線性變化到實(shí)體的導(dǎo)熱率，則材料任一時(shí)刻的導(dǎo)熱率可表示為[7]：

式中k為材料任一時(shí)刻的導(dǎo)熱率；φ為實(shí)體所占比例。文中通過調(diào)用子程序UMATHT來定義材料的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并通過子程序USDFLD來定義不同狀態(tài)下的材料參數(shù)。

1.7 幾何模型

溫度場(chǎng)有限元模型如圖2所示，粉床尺寸為2 mm×0.4 mm×0.16 mm，共4層，每層鋪粉0.04 mm，基板尺寸為3 mm×2 mm×1 mm，粉床網(wǎng)格尺寸為0.02 mm×0.02 mm×0.02 mm，基板采用過渡網(wǎng)格，從頂部向底部依次增大。溫度場(chǎng)分析采用DC3D8單元，模型所處環(huán)境溫度為25℃，應(yīng)力場(chǎng)分析采用C3D8R單元，并采用圖2所示邊界條件，該邊界條件可以約束模型發(fā)生剛性位移。激光掃描路徑和選取參考點(diǎn)如圖3所示，各層5個(gè)參考點(diǎn)分別為P11、P12、P13、P14、P15；P21、P22、P23、P24、P25；P31、P32、P33、P34、P35；P41、P42、P43、P44、P45。本文是在溫度場(chǎng)的分析基礎(chǔ)上通過順序耦合進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的研究，由溫度場(chǎng)分析結(jié)果可知，不同層的熱循環(huán)過程規(guī)律相似，故分析第一層應(yīng)力場(chǎng)分布即可了解多層規(guī)律。多層多道應(yīng)力場(chǎng)收斂情況復(fù)雜多變且計(jì)算速度太慢、耗時(shí)太長(zhǎng)，故綜合考慮收斂性和計(jì)算成本，本文應(yīng)力場(chǎng)分析只研究單層的情況，掃描道為溫度場(chǎng)分析的中間3道，其參考點(diǎn)分別為P*1、P*2、P*3，基板尺寸大小和網(wǎng)格劃分與溫度場(chǎng)保持一致，粉床模型保留溫度場(chǎng)第一層，網(wǎng)格劃分與溫度場(chǎng)一致。模擬使用的工藝參數(shù)如表1所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

圖3 激光掃描路徑及各層參考點(diǎn)位置Fig.3 Laser scanning path and reference point position of each layer

表1 模擬使用的工藝參數(shù)Table 1 Process parameters for simulation

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場(chǎng)分析

掃描速度為500 mm/s、掃描間距為50 μm、層厚為40 μm時(shí)不同激光功率下（100 W、150 W、200 W、250 W）溫度場(chǎng)的熔池形狀如圖4所示，激光中心位置在溫度場(chǎng)第1層第3掃描道第73個(gè)增量步時(shí)的熔池形貌，其中灰色部分表示溫度高于熔點(diǎn)區(qū)域。可以看出，當(dāng)激光功率為100 W時(shí)，熔池深度僅為35 μm，小于層厚40 μm，而激光功率為150 W、200 W、250 W時(shí)，熔池深度均大于層厚，能很好地實(shí)現(xiàn)金屬粉末層的熔化，由于激光功率為100 W時(shí)明顯不能滿足工藝要求，故后續(xù)研究不考慮此工況。激光功率為200 W時(shí)熔池寬度為106.51 μm，與光斑直徑最為接近，而且掃描間距為50 μm，能充分與下一掃描道重熔。激光功率為200 W、掃描速度為500 mm/s、掃描間距為50 μm、層厚為40 μm時(shí)的熔道和熔池金相圖如圖5所示，可以看出，熔池寬度為109.17 μm，與模擬值非常接近，試驗(yàn)和模擬的熔池深度均大于層厚40 μm，可以充分熔透鋪粉層，故模擬結(jié)果是可信賴的。

圖4 不同激光功率下溫度場(chǎng)的熔池形狀Fig.4 Molten pool shape of temperature field under different laser power

圖5 熔道和熔池金相圖Fig.5 Metallographic diagram of weld path and weld pool

圖6為激光功率200 W、掃描速度500 mm/s、掃描間距50 μm時(shí)第一層和第四層的5個(gè)參考點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線。從圖6a可以看出，當(dāng)熱源掃描到P11時(shí)，該點(diǎn)的溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高到3 754.5℃，而后溫度驟然下降，經(jīng)過0.48 ms降至1 376.53℃，下一參考點(diǎn)由于受到此熱源的影響，在激光經(jīng)過P11時(shí)其溫度也達(dá)到了一個(gè)小高峰，可見激光在掃描第一道時(shí)對(duì)第二道起到了預(yù)熱作用，有利于減少成形件微裂紋和球化的產(chǎn)生。當(dāng)熔池過大，兩掃描道間距較小時(shí)，甚至?xí)苯訉?dǎo)致下一掃描道提前熔化。達(dá)到最高溫度后，降溫速率剛開始很快，當(dāng)溫度降至熔點(diǎn)左右時(shí)就明顯減緩，這是由于熔融金屬由液態(tài)逐漸凝固為固態(tài)時(shí)會(huì)釋放出凝固潛熱，減緩了降溫速率。第一層掃描結(jié)束后，第一層各參考點(diǎn)溫度降到最低點(diǎn)，隨即第二層開始掃描，會(huì)對(duì)第一層進(jìn)行重熔，由圖可見，其最高溫度均再次高于材料熔點(diǎn)溫度。同理，第三層、第四層的作用均會(huì)使第一層材料溫度出現(xiàn)小高峰，是否能重熔則取決于其峰值溫度。對(duì)比圖6a、6b可知，第四層參考點(diǎn)的溫度高于第一層對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)的溫度，這是熱累積和粉體熔化實(shí)體增大導(dǎo)致散熱能力變大綜合作用的結(jié)果，熱累積導(dǎo)致的溫度升高效果大于增大的散熱效果。

激光功率為200 W、掃描速度為500 mm/s、掃描間距為 50 μm 時(shí)參考點(diǎn)P13、P23、P33、P43溫度隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。由圖7可知，不同層同一位置參考點(diǎn)的溫度變化規(guī)律與圖6相似，這也是由導(dǎo)熱系數(shù)的變化和熱累積效應(yīng)導(dǎo)致的。

不同工藝參數(shù)下參考點(diǎn)P13溫度隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。圖8a為掃描速度500 mm/s、掃描間距50 μm時(shí)不同激光功率下溫度隨時(shí)間變化曲線，可以看出，在其他參數(shù)相同的情況下，激光功率越大，粉床在單位時(shí)間內(nèi)接受的能量越多，從而導(dǎo)致溫度越高，熔池存在時(shí)間越長(zhǎng)，冷卻凝固速率越小。過大的激光功率會(huì)導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)粗大從而降低材料的力學(xué)性能，而過小的激光功率又會(huì)使金屬粉末熔化不充分，熔池流動(dòng)狀態(tài)不佳，導(dǎo)致成形件致密度較低。圖8b為激光功率200 W、掃描間距50 μm時(shí)不同掃描速度下溫度隨時(shí)間變化曲線，可以看出隨著掃描速度的增大，熔池峰值溫度和熔池存在時(shí)間均有所下降，整體曲線向左平移，而且掃描速度太快，熔池容易飛濺，從而造成許多微米級(jí)的細(xì)小金屬球出現(xiàn)。圖8c為激光功率200 W、掃描速度500 mm/s時(shí)不同掃描間距下溫度隨時(shí)間變化曲線，可以看出掃描間距為80 μm的前兩個(gè)峰值溫度出現(xiàn)了反常，因?yàn)橐话銙呙栝g距越小，相鄰兩道間的搭接率會(huì)更高，單位空間內(nèi)吸收的能量也會(huì)更多，溫度會(huì)更高。分析認(rèn)為，出現(xiàn)此反常與激光中心位置距參考點(diǎn)的位置有關(guān)，由于掃描間距為80 μm時(shí)參考點(diǎn)的位置更接近熱源中心點(diǎn)，從而導(dǎo)致該參考點(diǎn)的峰值溫度變高。較小的掃描間距有利于材料重復(fù)熔化，可以有效減少球化的出現(xiàn)，從而獲得較平整的表面。綜上分析可知，激光功率為200 W、掃描速度為500 mm/s、掃描間距為50 μm、層厚為40 μm時(shí)模擬效果較好，能兼顧要求的熔池寬度、深度與搭接率，有利于獲得性能良好的成形件。

圖8 不同工藝參數(shù)下參考點(diǎn)P13溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Temperature variation curve of reference point P13with time under different process parameters

2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

激光功率200 W、掃描速度500 mm/s、掃描間距50 μm、層厚40 μm時(shí)，激光中心位置在第3掃描道第120個(gè)增量步時(shí)參考點(diǎn)的熔池形貌如圖9所示，可以看出熔池的大小及最高溫度為3 133℃。圖10為此時(shí)的Von Mises等效應(yīng)力圖，由于金屬粉末和在熔點(diǎn)及其以上溫度時(shí)固液體狀態(tài)時(shí)材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度都極小，從而導(dǎo)致該區(qū)域的應(yīng)力也很小，圖中明顯能體現(xiàn)這一特征。可以看出，熔池區(qū)域周圍應(yīng)力都很小，而在遠(yuǎn)離熔池位置由于材料快速冷凝為固體導(dǎo)致體積發(fā)生了收縮，熱應(yīng)力逐漸變大，最大熱應(yīng)力為716.4 MPa。圖11為掃描結(jié)束后冷卻1 200 s后的殘余應(yīng)力，其殘余應(yīng)力分布比較均勻，最大殘余應(yīng)力為725.1 MPa，兩端由于自由狀態(tài)殘余應(yīng)力得到了一定的釋放，故數(shù)值相對(duì)較小。

圖9 熔池形貌Fig.9 Molten pool morphology

圖10 Von Mises等效應(yīng)力Fig.10 Von Mises equivalent stress

圖11 殘余應(yīng)力分布Fig.11 Residual stress distribution

圖12 參考點(diǎn)熱應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.12 Curves of thermal stress with time at reference points

S11是平行于掃描方向（X方向）的應(yīng)力，用σx表示，S22是垂直于掃描方向的應(yīng)力，用σy表示，圖13為圖12工藝參數(shù)下的S11和S22曲線。可以看出，σx最大值為 788.6 MPa，而σy最大值比σx小得多，僅為247.2 MPa，且σx主要為拉應(yīng)力，壓應(yīng)力區(qū)域較少，σy也主要為拉應(yīng)力，但壓應(yīng)力相對(duì)較多。選區(qū)激光熔化過程熱應(yīng)力循環(huán)往復(fù)變化，往往會(huì)導(dǎo)致材料熱疲勞斷裂，這是造成成形件微裂紋的原因之一。

圖13 S11和S22隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Curves of S11 and S22 with time

掃描速度500 mm/s、掃描間距為50 μm時(shí)，參考點(diǎn)在不同激光功率下的Von Mises等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖14a所示。由圖可知，當(dāng)激光功率為150 W時(shí)，第一個(gè)峰值應(yīng)力為696.3 MPa；當(dāng)激光功率為200 W時(shí)，第一個(gè)峰值應(yīng)力為685.9 MPa；當(dāng)激光功率250 W時(shí)，第一個(gè)峰值應(yīng)力為673.4 MPa，而在第二個(gè)峰值應(yīng)力及其后面的曲線，三種參數(shù)保持著相同的趨勢(shì)，都是激光功率越大，其Von Mises等效應(yīng)力越小。出現(xiàn)這種差異的原因是隨著激光功率的增大，熔池變大、熔池持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，且基板的溫度會(huì)變高，有利于基板溫度和熔池溫度的均勻化，降低了溫度梯度，從而降低了應(yīng)力大小，這與李紅濤[15]和文舒[16]的模擬結(jié)果一致。較高的激光功率還能提高成形件的相對(duì)致密度。圖14b為激光功率200 W、掃描間距50 μm時(shí)參考點(diǎn)在不同掃描速度下的Von Mises等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，不同掃描速度的應(yīng)力變化趨勢(shì)大致相同，掃描速度越大，應(yīng)力值達(dá)到峰值的時(shí)間越短，但峰值應(yīng)力大小相差不大，后續(xù)掃描道會(huì)使應(yīng)力值得到小幅度的下降，最終冷卻為一個(gè)恒定值。掃描速度過大容易引起掃描線的分裂，相反，較低的掃描速度下掃描線較為連續(xù)，致密化程度更好。圖14c為激光功率200 W、掃描速度500 mm/s時(shí)參考點(diǎn)在不同掃描間距下的Von Mises等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，第一道峰值應(yīng)力基本相同，在第二道掃描間距變大應(yīng)力有所提高，各掃描間距下曲線變化規(guī)律基本一致，80 μm掃描間距下應(yīng)力值稍高且時(shí)間在0.01 s前后時(shí)，其應(yīng)力值下降速率更慢，這主要與激光光斑中心與參考點(diǎn)的位置有關(guān)。

圖14 不同參數(shù)下參考點(diǎn)的Von Mises等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.14 Von Mises equivalent force curves with time of pointunder different parameters

金屬粉床上沿X軸方向和沿Y軸方向的兩條路徑如圖15所示，兩條路徑均取在粉床的中點(diǎn)位置。圖16為掃描速度500 mm/s、掃描間距50 μm時(shí)不同激光功率時(shí)沿X軸和Y軸路徑冷卻1 200 s的殘余應(yīng)力，圖17為激光功率200 W、掃描間距50 μm時(shí)不同掃描速度時(shí)沿X軸和Y軸路徑冷卻1 200 s的殘余應(yīng)力，圖18為激光功率200 W、掃描速度500 mm/s時(shí)不同掃描間距時(shí)沿X軸和Y軸路徑冷卻1 200 s的殘余應(yīng)力。

圖15 X與Y路徑方向Fig.15 X and Y path direction

圖16 不同激光功率下殘余應(yīng)力沿路徑變化Fig.16 Variation of residual stress along the path under different laser power

圖17 不同掃描速度下殘余應(yīng)力沿路徑變化Fig.17 Variation of residual stress along the path at different scanning speeds

圖18 不同掃描間距下殘余應(yīng)力沿路徑變化Fig.18 Variation of residual stress along the path under different scanning spacing

由圖16～圖18可知，Von Mises等效應(yīng)力在粉床沿X軸方向上大部分位置基本維持在725 MPa左右，只有兩端應(yīng)力逐漸減小，不同工藝參數(shù)下最小應(yīng)力有所不同但都在327.1 MPa以上，殘余應(yīng)力分布情況與種潤(rùn)[11]和文舒[16]的研究結(jié)果一致。兩端應(yīng)力減小主要是因?yàn)閮啥藶樽杂啥?，不受約束，可以釋放一部分殘余應(yīng)力。屈服強(qiáng)度是溫度的函數(shù)，隨著溫度的升高而降低，材料在經(jīng)歷屈服后，重新進(jìn)行加載，其屈服應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，即發(fā)生了應(yīng)變強(qiáng)化[17]，殘余應(yīng)力是達(dá)到平衡狀態(tài)的內(nèi)應(yīng)力，如果超過屈服強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變形強(qiáng)化直至平衡狀態(tài)，故殘余應(yīng)力大小接近屈服強(qiáng)度是合理的。而對(duì)于沿Y軸方向路徑的殘余應(yīng)力，中間部分最大值約725 MPa，但是兩端殘余應(yīng)力卻比沿X軸方向小得多，最小值在圖16中僅為11.6 MPa，在圖17中僅為11.9 MPa，在圖18中僅為12.4 MPa，這是因?yàn)檠豖軸方向金屬粉末是全部熔化再冷卻凝固的，而沿Y軸方向只有中間高殘余應(yīng)力區(qū)域是受熱熔化的，兩端粉末并未達(dá)到熔點(diǎn)，仍然處于金屬粉末狀態(tài)，有很小的應(yīng)力是由于在設(shè)置材料屬性時(shí)，為了讓計(jì)算更容易收斂給粉末賦予了很小的力學(xué)性能參數(shù)。而且從圖中可以看出，激光功率越大，掃描速度越小，掃描間距越大，其殘余應(yīng)力的分布范圍越大。

3 結(jié)論

本文通過ABAQUS進(jìn)行SLM成形GH4169過程的溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的模擬，分析了不同工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描間距）對(duì)溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，得出結(jié)論如下：

（1）熔池達(dá)到最高溫度后，降溫速率剛開始很快，當(dāng)溫度降到熔點(diǎn)左右時(shí)就明顯慢下來，說明凝固潛熱的影響不容忽視。

（2）不同層的溫度場(chǎng)分布都有相似性，而且各處的溫度都是熱累積和導(dǎo)熱系數(shù)變化的綜合結(jié)果。

（3）平行于掃描方向的熱應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直于掃描方向的應(yīng)力，而且這兩者都有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。

（4）激光功率越大，其Von Mises等效應(yīng)力越??；增大掃描速度，Von Mises峰值應(yīng)力大小幾乎沒變化；增大掃描間距，第一道峰值應(yīng)力基本相同，第二道應(yīng)力有所提高。

（5）各工藝參數(shù)下都是模型中間區(qū)域殘余應(yīng)力大，基本維持在725 MPa，兩端殘余應(yīng)力小，沿X方向最小殘余應(yīng)力在327.1 MPa以上，而沿Y向最小殘余應(yīng)力僅為11.6 MPa。

（6）激光功率為200 W、掃描速度為500 mm/s、掃描間距為50 μm、層厚為40 μm時(shí)模擬效果較好，可以在此基礎(chǔ)上開展后續(xù)研究。