316 L 不銹鋼多軌激光粉末床熔合過程中的熱行為和控制

供稿人:曹福升、魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

在熱行為研究中，由于可控參數(shù)范圍有限、效率低下和難以進行原位微觀表征，物理實驗在很大程度上受到限制。相比之下，這方面的數(shù)值模擬越來越引起研究人員和工程師的興趣。針對單軌印刷工藝的熱行為進行了大量工作。然而相鄰的兩個軌道之間會發(fā)生明顯的熱效應(yīng)，這將導致印后軌道的熔池尺寸變化; 同時，在LPBF增材制造過程中，在兩個相鄰層之間也可以觀察到這種現(xiàn)象。因此，全面了解印刷過程中的熱行為對于有效控制和準確預(yù)測工藝-結(jié)構(gòu)-性能具有重要意義。以下研究通過計算流體力學（CFD）方法對316 L粉末在LPBF中的多軌熔化過程進行了數(shù)值再現(xiàn)，為獲得所需精度的高性能產(chǎn)品提供有價值的參考。

圖 1 顯示了 316L 不銹鋼在典型條件下的多軌熔煉過程，其中每個時刻的頂視圖如圖1(a)所示�？梢钥闯觯�在L0處，激光剛剛作用在粉末床上，激光光斑中心高而其他區(qū)域溫度低的溫度遵循高斯分布。在掃描第一軌道（L1）期間，熔池的溫度呈現(xiàn)彗星狀分布。圖1(b)給出了熔池橫截面在每個時刻的溫度等值線�？梢园l(fā)現(xiàn)，由反沖壓力引起的熔池凹陷逐漸加深，這進一步顯示了已經(jīng)打印的熔融層預(yù)熱的顯著影響。此外，在標記為“局部”的子圖中分析了熔池局部區(qū)域的速度矢量在第 1 個軌道和第 7 個軌道中。與第1軌道相比，第7軌道熔池的速度矢量更大，表明多軌道熔化過程中熔池中的反沖壓力也增大，證實了上述結(jié)論。

圖1 多軌熔煉工藝：（a）俯視圖;（b） 橫截面;（c） 每時每刻探針線的溫度演變

熱影響角用于量化熔融層之間的熱相互作用，其定義為連接第一層和最后一層熔融層底部的線與水平線之間的角度。圖2（a）顯示了不同激光功率、掃描速度和艙口間距下多軌熔融層的熱影響角。為了更直觀，圓圈的顏色和大小都用來表示角度的值�？梢园l(fā)現(xiàn)，當激光功率為240 W，掃描速度為0.4 m/s，艙口間距為60 μm時，多軌熔融層的最大熱影響角為17.3°。遠離這一點，熱影響角逐漸減小。圖2（b）描繪了不同條件下多軌熔融層的深度。需要強調(diào)的是，這里的深度代表熔融層上下邊界與所選截面處不同Y坐標對應(yīng)的距離的平均值（X中間).。對于熱影響角，圓的顏色和大小用于表示熔融層的深度。可以看出，當P = 240 W，V= 0.4 m/s和H = 60 μm時，多軌熔融層的最大深度為130.93 μm。離開這個位置，深度逐漸減小。

圖2 不同條件下熔融層的熱影響角（a）和熔池深度（b）

從不同條件獲得的多軌熔融層的三維形貌（左圖）和相應(yīng)的橫截面（右圖）如圖3所示。當其他條件固定時，多軌熔融層在P =240 W時的熱影響角明顯大于P = 160 W時的熱影響角，在后一種情況下其深度也更大。此外，根據(jù)截面計算不同P下的熔融層波動（標準差/熔池高度平均值）。結(jié)果表明，P =160 W時的波動（0.0176）遠低于P = 240 W時的波動（0.0318）。這可以歸因于大熔池尺寸和在高激光功率下由大熱能形成的熔池中的強馬蘭戈尼對流，導致熔融層的凸形更多。此外，由于每個熔融層在相鄰熔融層之間形成較大的溝壑，因此高功率下多軌熔融層的表面波動更為嚴重。

圖3（b1）和（b2）描繪了在不同掃描速度下形成的多軌熔融層的3D形貌和橫截面。較小的掃描速度會導致熔融層的波動相對較高。此外，與高掃描速度相對應(yīng)的多軌熔融層的層間重疊厚度非常低。雖然這里沒有明顯的缺陷，但可以預(yù)見的是，當粉末床的厚度略有增加時，容易發(fā)生非熔化缺陷。

圖3（c1）和（c2）展示了不同艙口間距H下多軌熔融層的三維形貌和截面。艙口間距對表面波動的影響并不規(guī)則。盡管小艙口間距會產(chǎn)生較大的表面波動，例如高激光功率和低掃描速度。由于軸向距離較大，高艙口間距也會導致熔融層之間的尺寸波動較大。

圖3 熔融層在不同條件下形成的形貌和相應(yīng)的橫截面，其中：（a1，a2）不同的激光功率;（b1， b2）不同的掃描速度;（C1、C2）不同的艙口間距

建立并采用了BPNN模型。圖4（a）顯示了不同條件下預(yù)測和模擬熱影響角之間的比較，可以確定非常好的一致性。預(yù)測值和模擬值都分布在 Y=X 的線上或沿線緊密分布，這意味著預(yù)測精度很高。BPNN模型可以很好地預(yù)測不同條件下熔池的深度。因此，圖4中的結(jié)果表明，當前的BPNN模型可以成功地用于預(yù)測多軌熔融層在任何組合條件下的熱影響角和深度。換句話說，通過使用BPNN模型，熱控制圖可以變得更加準確。

圖4 不同條件下熱影響角(a)和熔池深度(c)的數(shù)值模擬與BPNN預(yù)測; 熱影響角(b)和熔池深度(d)在數(shù)值模擬和BPNN預(yù)測之間的相關(guān)性

參考文獻：
Yao D, Wang J, Luo H, et al. Thermal behavior and control during multi-track laser powder bed fusion of 316 L stainless steel[J]. Additive Manufacturing, 2023, 70: 103562.