激光参数对Ti-6Al-4V粉末SLM成形质量的影响

官 杰，张文群

（海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033）

随着钛合金激光增材制造技术的发展进步，其在航空、汽车、军工等制造业领域得到了广泛的关注。目前用于钛合金激光增材制造的技术主要有激光立体成型技术（LSF）和激光选区熔化技术（SLM）两种［1］，如表1所示。可见SLM技术在成型件的复杂度、表面质量等方面均具有很大优势，且后续不需加工，在多种重要精密的场合可获得应用。

表1 激光增材制造技术Tab.1 Laser Additive Manufacturing Technology

激光参数对金属粉末SLM成形的质量有重要影响。文献［2］利用数值模拟的方法对SLM过程中熔池的尺寸、冷却速率以及由单道到多道，由单层到多层的成形层几何轮廓形状进行了预测。文献［3］通过实验和数值方法相结合的方式研究了SLM过程中温度场和应力场的演变过程。结果表明，较高的拉伸残余应力集中在熔覆层中，压缩残余应力存在于基体中。文献［4］利用ABAQUS建立SLM的热力学模型，以熔池演变规律为切入点，对SLM成形的温度场问题进行了深入研究。文献［5-7］对AlSi10Mg 粉末SLM成形的温度场和应力场进行了数值模拟分析，得出了温度和应力分布随激光参数变化的规律。

上述学者主要研究了镁铝合金粉末、不锈钢粉末等材料的SLM增材制造过程中，相关参数在温度场和应力场演变中的作用效果，但对于材料成形质量和缺陷方面的研究较少。对于钛合金粉末SLM成形，选择合适的加工参数使得成形较好，不致出现翘曲、开裂等缺陷至关重要。这里选用钛合金粉末Ti-6Al-4V进行研究，通过实验验证下的仿真寻求较好的激光参数，并降低成本。通过对打印过程中残余应力值变化规律、总体应力场和位移场的综合研究，分析了激光功率和扫描速度对材料接合效果、成形件质量的影响效果和原因，以及可能带来的表面质量和产品性能的缺陷。

这里首先介绍金属SLM 增材制造温度场和应力场仿真原理，然后构建了SLM仿真模型，接下来通过温度场、应力场及位移场的分析得出激光功率和扫描速度对Ti-6Al-4V粉末SLM成形质量的影响。

为尽可能地还原SLM增材制造过程，采用“生死单元”的方法进行建模。在被激光扫描之前，单元为“死”的状态，此时其质量、载荷、热导率等参数均为零。激光扫描之后，单元的质量、载荷、热导率等参数恢复原值，为“活”的状态。随着高斯热源遍历整个打印区域，粉层内所有单元被激活，该层打印完毕［8］。

2.1 温度场仿真原理

激光束照射到粉末材料的表面时会发生透射（T）、反射（R）和吸收（A），其能量变化符合能量守恒定律［9］：

根据传热第一定律和上述能量守恒定律，可以建立SLM模型的传热控制方程［10］：

式中：ρ—材料密度，单位：kg/m3；
c—材料的比热容，单位：J/(kg·k)；
kx，ky，kz—材料沿x，y，z方向的热传导系数，单位：W/(m·k)；
t—时间；
T—温度；
Q—物体内部热源强度，单位：W/kg。

目前主流的金属3D打印机均采用单模的光纤激光器，波长为1064nm，能量分布呈高斯分布。以高斯热源代替激光［9］，如图1所示。

图1 高斯热源模型Fig.1 Gaussian Heat Source Model

激光工作平面在激光的焦平面上，距离热源中心点距离为r的位置的表面热流密度为：

式中：Qm—高斯热源中心热流密度；
η—激光热效率；
P—激光功率；
R—热源半径。

激光加载采用光栅扫描模式，激光热源半径为35μm，扫描间距为50μm，遍历此模型粉层需要扫描5道［11］，如图2所示。点1和点2分别为第一层和第二层的中点。

图2 激光扫描方式Fig.2 Laser Scanning Model

金属粉末SLM增材制造过程涉及到的传热方式有热传导、热对流及热辐射［12］。当金属粉末熔化形成熔池，热量会由于液相和实体间热导率的不同，率先传递到已凝固的金属实体中，加大温度梯度［13］。

设定初始条件，即当时间t=0时的初始温度为环境温度。在无预热的情况下，环境温度也为金属粉末温度。

2.2 应力场仿真原理

成形过程中，金属材料的温度和状态不断发生改变，导致成形件内出现不均匀温度梯度和残余应力［8］。这是导致成形件发生层内断裂和层间翘曲或开裂等缺陷的主要原因［14］。应力场仿真使检验成形件性能指标的重要途径，因此对于SLM 成形过程中应力场的分析尤为重要。

得到SLM成形的温度梯度分布之后，采用间接热—结构耦合分析方法［15］进行后续的应力场分析。将得到的温度场分布作为载荷输入模型，计算由于不均匀温度梯度引起的模型内部某节点和总体热应力分布情况。根据应力分布情况，检验成形件的应变、节点位移等，进而判断成形件是否存在打印缺陷，其表面质量和性能是否满足要求。

进行温度场仿真时，成形件和基体分别采用Solid70热单元和Solid45热单元。为了使应力场计算顺利进行，将成形件的和基体的Solid70号热单元转换为Solid45结构单元，Solid90热单元转换为Solid95结构单元［6］。

3.1 结构模型

建立的激光选区熔化仿真模型分为成形件和基板两个部分，如图3所示。

图3 有限元模型Fig.3 Finite Element Model

成形件选用Ti-6Al-4V粉末，平均粒径为50μm，激光扫描区域的尺寸为（0.8×0.25×0.1）mm；
基板材料选用结构钢，其尺寸为（1.6×1.0×0.4）mm。基板与粉层之间的过渡层采用四面体单元进行自由网格划分。

3.2 材料属性

Ti-6Al-4V合金的熔点为1605℃。SLM成形过程中的热问题为瞬态热问题，材料的密度、热膨胀系数、弹性模量等热物性参数随温度而变化，如表2～表4所示。基体材料选用结构钢参数，如表5所示。

表2 材料的密度随温度改变Tab.2 The Density Varies with Wemperature

表3 材料的热膨胀系数随温度改变Tab.3 The Coefficient of Thermal Expansion Varies with Temperature

表4 材料的弹性模量、泊松比、屈服强度、热传导系数随温度改变Tab.4 Elastic Modulus，Poisson"s Ratio，Yield Strength and Thermal Conductivity Vary with Temperature

表5 基体材料参数Tab.5 Material Parameters of the Matrix

其他参数如下：环境温度为25℃，激光热源半径为35μm，扫描间距为50μm，粉层厚度为50μm，热效率为0.3。

4.1 实际加工与仿真结果对比

在文献［16］的实验中，可以得激光功率：P=300W，扫描速度：v=1150mm/s，热效率：η=0.367，Ti-6Al-4V粉层厚度为35μm，激光扫描间距为70μm。表面成形轨迹的宽度即熔池宽度为103.14μm，如图4（a）所示。

图4 SLM加工和仿真结果对比Fig.4 Comparison of SLM Machining and Simulation Results

上述实验得出，激光扫描间距小幅度变化对熔池宽度影响不大。故在本仿真模拟中，设置参数与上述实验保持一致，但为了保证仿真模型不变，保持激光扫描间距为50μm。在温度场模拟中得出的熔池平均宽度为96.23μm，如图4（b）所示。仿真结果与实际加工相差6.70%，且熔池的演变规律与实验所得一致，因此这里采用的仿真方法具有较高的可行性和可信度。

4.2 温度场分析

通过APDL编程实现Ti-6Al-4V粉末材料SLM成形的温度场计算。计算时自动划分时间步长，每前进两个时间步保存一次数据。当时间步STEP=60和STEP=180时，对应的时间分别为t1和t2，激光扫描位置分别为点1和点2。

激光扫描速度v=200mm/s，激光功率P由100W逐渐加大到400W，点1处熔池的长度、宽度、深度大致保持线性增长，如图5所示。

图5 熔池形态随激光功率变化趋势Fig.5 Variation Trend of Molten Pool Morphology with Laser Power

熔池宽度的大小直接关系着相邻熔道的材料是否能够有效结合，对金属成形件层间断裂缺陷的控制至关重要。当激光功率P＞200W时，熔池宽度远大于扫描间距（50μm），相邻熔道可以有效接合。

熔池深度的大小直接关系着相邻打印层的材料能否有效接合，对金属成形件层间翘曲和开裂缺陷的控制至关重要。当P=250W 时，熔池深度为54.4μm，略大于粉层厚度（50μm），上下两层无法有效接合。当P=300W 时，熔池深度为64.39μm，大于粉层厚度28.8%，相邻打印层可以有效接合。

激光功率P=300W，激光扫描速度v由50mm/s 逐渐增大到450mm/s，得到点1处熔池形态演变趋势，如图6所示。

图6 熔池形态随激光扫描速度变化趋势Fig.6 Variation Trend of Molten Pool Morphology with Laser Scanning Velocity

随着扫描速度的增大，熔池的长度呈线性增长趋势。这是因为熔池散热速度有限，扫描速度增大，则会有更长一段路径上的材料被熔化形成熔池。

熔池的宽度逐渐变小，后趋于稳定。当激光扫描速度v＜100mm/s时，熔池宽度保持在（150～160）μm之间不变，这是由于在此速度区间内，熔池宽度已扩展至成形区边界处，熔池质量溢出，如图7所示。

图7 激光扫描速度过小导致熔池质量溢出Fig.7 The Molten Pool Width is too Large when the Laser Scanning Speed is too Small

此时模型边界处于流动状态，材料成形不受控制，且在熔池内部出现孔洞缺陷，成形致密度不高，因此是不可取的。

熔池的深度逐渐变小，后趋于稳定。这是因为激光扫描速度的增大会使激光热源半径所覆盖的区域材料吸收能量减少，所以熔池深度变小。

综合以上数据，为了较好地符合加工要求，同时尽可能地节能高效，宜选择激光功率P=300W，扫描速度v=200mm/s作为Ti-6Al-4V粉末SLM成形的激光参数。

4.3 应力场分析

由于不均匀温度梯度的存在，SLM成形过程中以及完成后，在成形件内部会存在一定的残余应力。分析残余应力的分布和大小有助于我们了解成形件可能存在的缺陷，或由于残余应力的存在可能引起的缺陷的演变规律。对SLM成形缺陷控制和后处理方法的选择提供有利参考。

得到点1处的等效应力和x、y、z方向残余应力随时间变化的曲线图，如图8（a）～图8（d）所示。

图8 点1处残余应力Fig.8 Stress at Point1

激光未扫描到点1时，该点的应力值为0。而后激光扫描到该点，材料熔化形成熔池，此处出现局部压应力。这是因为当激光扫描到点1处时，附近材料的温度在短时间内急剧升高到熔点之上，使材料迅速膨胀，而其周围材料温度较低，膨胀速率较慢，限制了熔池附近材料的热膨胀。

图中存在三个峰值点，其应力值分别对应激光扫描到点1，以及后续激光经过第四、第五道扫描线中点的应力值。激光扫描后，点1处的压应力迅速减小，当激光再次经过扫描线中点时，点1不在熔池中心，其膨胀速率变缓，故波峰值依次减小。在第一层成形过程中，点1处x方向残余应力最大为345.15MPa，y方向残余应力最大为388.04MPa，z方向残余应力最大为191.82MPa，均远小于材料的屈服强度，材料未屈服，产生缺陷的风险较小。

第一层打印完毕后得到Ti-6Al-4V成形件的等效应力和x、y方向的残余应力，如图9所示。成形区域x、y方向的最大残余应力分别约为947MPa和374MPa，均远小于材料的屈服强度，成形质量较好。另外，x方向残余应力明显大于y方向残余应力，所以平行于扫描线方向的应力是成形件产生翘曲或开裂的主要原因。

图9 第一打印层应力图Fig.9 Stress Nephogram of the First Printing Layer

最大等效应力为947MPa，小于室温下Ti-6Al-4V材料的屈服强度（1070MPa），根据畸变能理论［17］，当等效应力大于材料的屈服强度时，材料屈服，产生塑性应变，故此条件下不会发生塑性形变。

由于蠕变效应［18］的存在，以残余应力值作为成形件是否出现缺陷的唯一参考显然是不可行的。了解缺陷形成的原因及发展规律，在成形过程中对材料采取合适的参数，在打印完成后采取合理的后处理方式仍然是控制缺陷的重要手段。

4.4 位移场分析

打印完成后，通过第一层的节点位移值来考察可能存在的打印缺陷［19］。

考察打印平面上节点的位移值可以考察在成型过程中是否发生断裂，如图10（a）、图10（b）所示。结果显示，x方向节点位移值最大为6.3μm，y方向节点位移值最大为2.28μm，远小于粉末材料的粒径。所以在打印平面上材料可以有效接合，不易发生层内断裂。另外，x方向上最大位移值远大于y方向上节点位移值，再次说明金属材料SLM增材制造成形件的断裂行为最有可能发生在垂直于激光前进方向上［20］。

在成形过程中层间是否发生翘曲或开裂，可以通过考察垂直于打印平面上节点的位移值来确定，如图10（c）所示。当前激光参数作用下，垂直于打印平面的最大节点位移值为5.53μm，约为层厚的10%，有可能发生翘曲变形，但是不易发生层间开裂。另外，仿真所采用的模型较小，因此热容量也小，成形件冷却速度较慢，而在实际加工生产中，零件的体积较大，冷却速度较快，层间开裂的可能性就会变大［21］。

这里利用ANSYS 仿真平台对Ti-6Al-4V 粉末材料SLM 增材制造进行模拟。

仿真过程中利用高斯热源的移动模拟激光扫描，利用“生死单元”技术对增材过程进行建模仿真。

得到温度场分布后，通过与既有SLM加工实验进行对比，验证了本仿真原理及方法的可行性和可靠性。

得到温度场分布后，利用间接热—结构耦合分析方法对SLM过程中的应力场进行了模拟。得出在无预热环境下，激光功率和激光扫描速度对SLM 成形过程中熔池演变的影响规律，分析了温度场、应力场、位移场结果对成形件缺陷控制的意义，获得了一组在当前环境下使成形件在层内不易发生断裂，在相邻打印层间不易发生翘曲、开裂的激光参数。

相信在对更大型构件，以及更多加工要素考虑在内的情况下，可以获得更为真实的SLM增材制造仿真参数，为实际3D加工提供了参考。

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