激光定向能量沉积增材制造钛合金极小几何形状成形偏差及累积机制

| 3DScienceValley · 2023/07/05

以下文章来源于稀有金属RareMetals ，作者康兴泰

激光定向能量沉积（L-DED）是一种点、线、面逐步升维的制造工艺，广泛应用于中大型复杂构件的生产制造。但是在小型构件沉积时会出现比较大的沉积偏差，尤其在极小角度和极小尺寸情况下尤为显著。

为此，南京理工大学机械工程学院的研究团队通过建立的数值模拟模型，系统研究了Ti-6Al-4V （Al：5.5%~6.75%，V：3.5%~4.5%，余量为Ti）两边形构件小角度极沉积、三角形构件极小尺寸沉积，并通过结构温度场以及熔池流场的变化，分析了沉积偏差变化规律和累积机制。结果表明，沉积偏差受到沉积角度和沉积尺寸的影响，单层两边形构件沉积角度由45°变化到15°时，沉积偏差从0.24%变化到1.14%；10层三角形构件尺寸由14~10 mm变化时，沉积偏差从0.24%变化到5.46%。研究成果为构件几何结构参数的合理制定，以及沉积过程工艺参数选择的可行性提供了有益的启示，对控制小型构件的沉积精度有重要作用。

图文速览

图1 动态网格划分示意图

Fig.1 Dynamic meshing diagram

图2 两边形及三角形沉积扫描策略

Fig.2 Bilateral shape （a）and triangle （b）deposition scan⁃ning strategy

图3 两边形及三角形沉积俯视示意图（B 代表沉积道宽度，θ代表沉积角度，L代表分析线）

Fig.3 Top view of sedimentation of bilateral shape （a） and tri⁃angle （b）（B representing width of channel，θ representing sedimentation angle，L representing analysisline）

图4 不同角度不同层数两边形沉积结果
Fig.4 Bilateral shape deposition results of different angles and layers One（a），four （b）and ten （c）layers at 15° angle；one（d），four（e）and ten（f）layers at 30° angle；one（g），four（h）and ten（i）layers at 45° angle；one（j），four（k）and ten（l）layers at 60° angle

图5 不同层数、角度两边形沉积偏差曲线
Fig.5 Depositional deviation curves of bilateral shape with different layers and angles

图6 两边形沉积第10层温度场和熔池流场（等高线代表1878 K温度分布）
Fig.6 Temperature field and molten flow field of the 10th layer of bilateral shape deposition （contour line representing 1878 K temperature distribution）Temperature field（a）and molten pool flow field（b）at 15° angle；Temperature field（c）and molten pool flow field（d）at 45° angle

图7 两边形角度为15°的不同层净增量
Fig.7 Net increment of 15° angle of bilateral shape with different layers（a）10th layer；（b）7th layer；（c）4th layer；（d）1st layer

图8 实验沉积结果与模拟沉积结果对比
Fig.8 Comparison of experimental and simulated deposition results

图9 不同边长三角形的沉积结果
Fig.9 Deposition results with different triangle side length（a）14 mm；（b）13 mm；（c）12 mm；（d）11 mm；（e）10 mm

图10 不同三角形尺寸下沉积第10层温度场和熔池流场（等高线代表1878 K温度分布）
Fig.10 Temperature field and molten flow field of the 10th layer of different triangle sizes deposition （contour line representing 1878 K temperature distribution）Temperature field （a）and molten pool flow field（b）at 10 mm；Temperature field（c）and molten pool flow field （d） at 11 mm；Temperature field（e）and molten pool flow field（f）at 12 mm

图11 三角形尺寸为10和12mm的1，4，7和10层沉积结果
Fig.11 Deposition results of triangle sizes of 10 mm （a~d）and 12 mm （e~h）with different layers（a，e）One layer；（b，f）Four layers；（c，g）Seven layers；（d，h） Ten layers

图12 不同三角形尺寸沉积偏差曲线
Fig.12 Deposition deviation curve with different triangle sizes（a）10 mm；（b）12 mm

图13 等边三角形尺寸为10和12mm的第1，4，7和10层净增量
Fig.13 Net increment of equilateral triangle net increment of the 10th（a），7th（b），4th （c）and 1st （d）layer of 10 mm；Net increment of equilateral triangle net increment of the 10th（e），7th（f），4th（g）and 1st （h）layer of 12 mm

图14 两边形与三角形构件每层熔池最大表面积柱状图
Fig.14 Histogram of maximum surface area per layer of molten pool of bilateral shape（a， b）and triangle（c， d）

全文小结

L-DED作为一种增材制造成型方法，在复杂几何结构的成形方面有着很大的优势。但是目前关于L-DED成型构件极小几何形状方面的研究十分缺乏。本文通过数值模拟的方法，以全时空、多物理量研究熔池的金属对流和传热特性，并进行了极小角度和极小尺寸研究，探索了偏差形成及累积机制。这为实际设计制造过程中路径规划和几何设计提供了基础数据，主要结论如下：

1. 沉积角度的变化对于沉积精度有显著的影响，在单层45°~15°两边形构件沉积时，偏差从0.24%变化到1.14%。这是因为随着质量的不断投入，熔池流体向内流动的倾向增大，这造成了对沉积道内侧的过度填充；

2. 沉积尺寸变化对于沉积精度有显著的影响，进行三角形构件10层沉积，构件尺寸由14~10mm变化时，沉积偏差从0.24% 变化到5.46%。这是因为FM，FS和激光反冲力对沉积道的影响随着尺寸的变小而变大；

3. 沉积层数的变化对沉积精度也有影响，两边形构件角度为15°时沉积偏差随层数由1.14%变化到2.43%，三角形尺寸为12mm，沉积层数为1层变化到10层时，沉积偏差从0.43% 变化到1.08%。主要是由于重熔效应；并且在小角度时影响相对大角度更为显著，两边形构件角度为 60°时沉积偏差由 0.24% 变化到 0.25%。其原因在于表面张力的作用在大角度时不明显。本研究发现在极小角度和尺寸沉积时会出现比较显著的沉积偏差，并对其影响规律与累积机制进行了分析，以后工作中需要注意并尽量避免这种现象，未来将进一步研究对偏差的控制。

论文引用信息：

康兴泰，陈洪杰，李文锋，茅仪铭，尹清远，韦辉亮. 钛合金增材制造成形偏差及累积机制 [J]. 稀有金属，2022，47(5): 701-713.

Kang Xingtai，Chen Hongjie，Li Wenfeng，Mao Yiming，Yin Qingyuan，Wei Huiliang. Forming Deviation and Accumulation Mechanism of Titanium Alloy Additive Manufacturing [J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2022, 47(5): 701-713.