案例展示金屬增材制造過程仿真分析 (下篇) - 微觀尺度

作者：郭鵬偉
安世中德增材應用工程師，目前從事金屬增材工藝仿真、增材設(shè)計等工作。

隨著金屬增材制造過程仿真分析工具功能的進一步增強，金屬增材仿真分析的價值將逐漸顯現(xiàn)。開展多尺度的金屬增材過程仿真分析，對于降低金屬增材制造成本、提高制造質(zhì)量、縮短研發(fā)周期具有重要的意義。

微觀尺度增材制造過程仿真分析
微觀尺度增材制造過程仿真分析，主要關(guān)注熔池特征、微觀組織結(jié)構(gòu)特征及詳細的溫度變化歷史特征，通過快速計算不同工藝參數(shù)組合下熔池尺寸、未熔合產(chǎn)生的孔隙率以及微觀結(jié)構(gòu)晶粒尺寸、取向等來優(yōu)化工藝參數(shù)，最終實現(xiàn)成形材料力學性能的調(diào)控。

-通過熔池尺寸特征優(yōu)化不同激光功率、掃描速率組合
金屬增材制造成形質(zhì)量很大程度上由微觀熔池尺寸特征決定，而激光功率、掃描速率是控制熔池尺寸特征的基本參數(shù)，較優(yōu)的激光功率、掃描速率匹配組合，可以避免匙孔、未熔合、球化等缺陷的產(chǎn)生。ANSYS Additive Science工具可以計算不同激光功率、掃描速率組合下的熔池尺寸，快速找到較優(yōu)的組合匹配，實現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化。

以某國際知名品牌激光粉末床熔化設(shè)備TC4大層厚60μm工藝參數(shù)優(yōu)化為例，計算激光功率300W~450W，掃描速率700mm/s~1600mm/s下熔池尺寸,基于熔池重熔深度達到90μm，深寬比小于0.95，長寬比小于4.2為優(yōu)化準則，選擇最優(yōu)激光功率、掃描速率組合匹配，圖7~9為計算結(jié)果，最終優(yōu)化的最優(yōu)匹配結(jié)果為350W、1300mm/s組合。

圖7 不同激光功率、掃描速率熔池重熔深度

圖8 不同激光功率、掃描速率熔池深寬比

圖9 不同激光功率、掃描速度熔池長寬比

-分析不同掃描間距下粉末未熔合產(chǎn)生的孔隙率
確定激光功率、掃描速率的較優(yōu)匹配之后，不同的掃描間距將產(chǎn)生不同的搭接率，較大的掃描間距，可能產(chǎn)生未熔合等材料內(nèi)部冶金缺陷，較小的掃描間距可能導致搭接率過大，影響成形效率及表面質(zhì)量。利用ANSYS Additive Science工具計算不同掃描間距下材料未熔合產(chǎn)生的孔隙率，實現(xiàn)激光功率、掃描速率、掃描間距的綜合參數(shù)優(yōu)化。

在2.1得到的較優(yōu)激光功率、掃描速率組合匹配基礎(chǔ)上，進一步計算不同掃描間距0.07mm-0.17mm下的材料未熔合孔隙率（如圖10所示），以粉末率小于0.005作為優(yōu)化準則。最終優(yōu)化結(jié)果為，當掃描間距達到0.15mm時，粉末率達到0.0047，因此，優(yōu)化結(jié)果為掃描間距將不能大于0.15mm。

圖10 不同掃描間距下粉末未熔合孔隙率

-分析不同工藝參數(shù)下晶粒尺寸、取向特征
材料的微觀組織結(jié)構(gòu)特征晶粒尺寸、形狀、生長取向等決定了材料的宏觀力學性能。金屬增材制造過程中，微觀組織結(jié)構(gòu)對加工工藝參數(shù)具有較高的敏感性，研究工藝參數(shù)與微觀組織結(jié)構(gòu)特征的定量關(guān)系非常重要。ANSYS Additive Science工具可以計算不同工藝參數(shù)下晶粒尺寸、生長取向。圖11為不同冷卻速率、掃描旋轉(zhuǎn)角度下晶粒尺寸、取向計算結(jié)果，材料為高溫合金GH4169。

圖11 不同冷卻速率、掃描旋轉(zhuǎn)角度下晶粒尺寸、取向計算結(jié)果

熔池的冷卻速率影響微觀晶粒組織，從計算結(jié)果可以看出，隨著冷卻速率（主要由激光功率、掃描速度決定）的增加，晶粒尺寸細化，平均粒徑大約由45μm細化到15μm，晶粒分布也越均勻。層間旋轉(zhuǎn)角度不僅對晶粒取向影響明顯，對晶粒尺寸分布影響也較為顯著，67°旋轉(zhuǎn)較79°和180°晶粒尺寸分布更加均勻。此外，從計算結(jié)果也可以看出，水平方向上晶粒組織由于散熱條件的不同，晶粒生長方向各異，水平方向與垂直方向晶粒組織差異明顯。

基于晶粒尺寸定量計算結(jié)果，可以進行材料宏觀力學性能預測。對于大多數(shù)材料，晶粒尺寸可以預測材料的屈服強度，利用Hall-Petch方程：σ0.2=σ0+Ky/d1/2 ,其中 d為晶粒直徑，σ0和Ky是材料常數(shù)，可以定量計算材料的屈服強度。建立工藝參數(shù)與晶粒組織的定量關(guān)系，對于精確控制成形材料的組織及力學性能具有重要意義。

-構(gòu)件幾何尺度的溫度歷史預測
金屬增材制造過程質(zhì)量監(jiān)控必不可少，增材制造設(shè)備也將更加智能化，溫度傳感器（實時監(jiān)測熔池溫度）、光敏傳感器（實時監(jiān)測熔池亮度、面積）、智能鋪粉、實時成形材料缺陷監(jiān)測等設(shè)備實時監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為應用熱點。

利用溫度傳感器可以實時獲取熔池表面的溫度變化及分布特征，但很難精確描述熔池內(nèi)部的溫度演變歷史。利用仿真手段，對構(gòu)件幾何尺度任意區(qū)域的詳細溫度變化歷史進行虛擬預測（如圖12所示），可以為構(gòu)件成形精度、內(nèi)部缺陷、微觀組織及力學性能的質(zhì)量追溯、分析評價提供溫度歷史數(shù)據(jù)。

圖12 溫度歷史監(jiān)測結(jié)果

—作者—
郭鵬偉
安世中德增材應用工程師，目前從事金屬增材工藝仿真、增材設(shè)計等工作。