316L不锈钢SLM 3D打印过程中热力行为及组织性能研究

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SLM技术是以金属粉末为材料,旨在快速成形具有特定功能、复杂结构的零件,顺应了目前大力倡导的快速制造模式,摈弃了复杂、繁琐的加工工艺,缩短了零件的成形周期,极大地降低了加工过程中的资源浪费和生产成本。但SLM成形过程中工艺调试不当,会导致零件受热不均,出现球化、翘曲、孔隙、裂纹等缺陷,严重影响零件的组织性能,从而限制该技术的发展。基于此,本文首先利用ANSYS APDL实现了SLM成形过程数值模拟,探究了SLM 3D打印过程中的热力行为,最后研究了工艺参数、扫描策略对试样的力学性能与组织演化的影响机制和作用机理。主要内容如下:(1)SLM成形过程热行为研究表明:单道扫描时,熔池的最高温度会逐渐上升,相邻道成形时,相邻两道间存在加热现象;TGX温度梯度呈现先增大后减少的趋势,TGY曲线显示温度梯度出现两次改向;激光功率、扫描速度和搭接率会影响熔池最高温度以及相邻道热作用次数;内螺旋扫描策略下,模型内部温度累计达到最高,棋盘扫描策略有利于降低温度累计,使温度分布均匀。(2)SLM成形过程应力场研究表明:当热源远离时,已成形区域出现“冷缩”将受到高温热胀区的约束,从而产生拉应力,而随着热源的逐步靠近,该区域的温度回升会使拉应力得以释放,使拉应力逐渐向压应力演化;激光功率、扫描速度、搭接率以及扫描策略会影响热应力分布状态以及演化规律。不同成形工艺下,残余应力实验结果与模拟结果随成形工艺变化趋势基本一致,模拟结果能够大致反映等效残余应力随成形工艺而变化的规律。(3)组织性能研究表明:光栅扫描、45°层旋转扫描下,熔道呈条形状,熔池呈“鱼鳞”状特征,熔池内的柱状晶会垂直熔池或与熔池线成一定夹角择优生;棋盘扫描策略下,棋盘分界线处左侧为条状、右侧为鱼鳞状的情形;不同成形策略对元素种类、物相成分影响不大,仅仅影响含量;光栅扫描符合韧性断裂特征,棋盘扫描属于准解理断裂,45°层旋转扫描下试样的断裂形式属于韧性断裂中的“滑移分离机理”。45°层旋转扫描时,拉伸性能最好,抗拉强度在750MPa左右、屈服强度为650MPa左右,延伸率达到50%以上,90°层旋转角下试样致密度最佳达到98.6%,0°层旋转角下试样的显微硬度最高达到231.8HV。
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