鎳基高溫合金選區激光熔化過程溫度場研究*

楊立寧

（河北科技大學機械工程學院，河北 石家莊 050018）

1 研究背景

高溫合金是指能夠在600 ℃以上溫度環境下長期服役，且其機械強度、抗疲勞性能、抗氧化性能、抗腐蝕性能以及顯微組織形態等仍可以保持相對穩定狀態的一類特殊金屬材料。本文所研究的GH4169 鎳基高溫合金以鎳、鐵、鈷元素為基體，這種高溫合金是一種沉淀時效強化型鎳基高溫合金，可以在-253 ℃～650 ℃溫度下保持良好的物理和化學穩定性，因此被廣泛應用于航空、航天、核能、石油等領域[1-2]。但是，由于使用傳統制造工藝進行GH4169 鎳基高溫合金零部件的加工成形存在較多困難，例如切削刀具磨損消耗嚴重、制造成本高、后處理工藝繁瑣、無法實現復雜結構成形等，因此也極大地限制了該種材料的應用范圍。針對這些問題，基于降維成形思想的選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術[3-5]為實現具有復雜結構高溫合金材料零部件的低成本、短流程、高效率制造提供了解決思路。

SLM 技術使用高能量激光束對逐層鋪設的合金粉末進行選擇性的高速掃描，被照射到的合金粉末經歷了快速熔化熔合和冷卻凝固的過程，因此制件的顯微組織晶粒細小且分布均勻，力學性能也更加優異。同時，由于成形過程中合金粉末床體需經歷復雜的冷熱循環過程，因此最終制件也極易出現翹曲、變形、裂紋等缺陷。為了解決這些制件缺陷問題，國內外研究學者在SLM 工藝參數優化方面開展了大量的試驗研究工作，實質是想通過對工藝參數的調整來實現成形溫度場和應力場的合理調控[6-7]。

近年來，隨著計算機技術的高速發展，采用有限元軟件對SLM 成形過程中的溫度場和應力場進行數值模擬研究越來越受到研究學者們的認可，它不僅可以直觀呈現出溫度場和應力場的變化過程，為揭示SLM 成形機理提供理論依據，還可以為SLM 工藝參數的優化提供精準參考，從而避免重復繁瑣的試驗研究工作[8-10]。因此，本文以GH4169 鎳基高溫合金為研究材料，采用ANSYS 有限元軟件對不同激光功率和掃描速度條件下SLM 成形過程中的溫度場變化及熱循環過程進行數值模擬研究，通過系統性分析來揭示SLM 溫度場的演變機制及其對于最終制件性能的影響，旨在為工藝參數的優化和成形缺陷的預測提供可靠技術手段。

2 SLM 溫度場仿真模型的建立

2.1 三維瞬態溫度場基本方程

SLM 成形過程中，隨著激光的快速移動，熔化層合金材料發生著劇烈的熱循環過程，其熱物性參數也會隨溫度一起變化。因此，對于SLM 成形溫度場分析是一個典型的三維非線性瞬態熱傳導問題，其控制方程公式為

式中：ρ 為材料密度，kg/m3；，c 為材料比熱，J/（kg·K）；T 為溫度；t 為時間；kx、ky、kz分別為材料沿x、y、z 方向的熱傳導系數，W/（m·K）；Q=Q（x，y，z，t） 為物體內部的熱源密度，W/kg。

2.2 仿真模型的建立

結合實際工藝試驗情況，本文建立了SLM 成形過程溫度場有限元仿真模型，見圖1。模型上部分為GH4169 鎳基高溫合金（熔點約為1 320 ℃）粉末床體，尺寸為1.2 mm×0.51 mm×0.2 mm（長×寬×高），共分為4 層，每層厚度為0.05 mm。模型下部分為Q235 鋼材質成形基板，尺寸為1.60 mm×0.91 mm×0.50 mm（長×寬×高）。對粉末床和基板進行網格劃分時，均采用了八節點六面體SOLID70 三維熱實體單元。為提高數值模擬準確性，粉末床模型劃分單元尺寸較小，為0.012 5 mm×0.012 5 mm×0.025 mm。成形基板采用自由網格劃分，單元尺寸較大，為0.1 mm。

圖1 SLM 成形過程溫度場有限元仿真模型

2.3 激光熱源模型及加載

創建熱源模型對溫度場模擬起著至關重要的作用，它直接影響到其準確性和真實性。根據激光能量分布特點，本文選擇了最符合實際情況的高斯熱源模型，其函數表達式為

式中：q 為激光功率密度；A 為材料對激光的吸收率；P 為激光輸入功率；R 為激光光斑半徑；r 為合金粉末床上任意點距離激光光斑中心的距離。

在SLM 溫度場模擬過程中，設定上述高斯熱源沿著粉末床模型的長邊方向按照“蛇形”軌跡進行往復掃描，掃描路徑間距為0.06 mm。圖2 為高斯熱源在粉末床模型上的加載示意圖。假設該熱源可一次性作用于6×6 個合金粉末單元（見圖2），即掃描單道寬度為0.075 mm，則完成每一層粉末的掃描加工，熱源需要往復8 次。同時考慮到高斯熱源的能量分布特點，采用設定不同熱流密度的形式，將高斯熱源施加到粉末床模型的各個單元上，具體設定方式見圖2，熱源中心的“1”單元施加最大熱流密度，“2”單元熱流密度次之，“3”單元熱流密度最小。模擬過程中掃描軌跡的實現，以及各個模型單元的激活和熱流密度的施加均是采用生死單元技術與APDL 參數化語言來實現的。

圖2 高斯熱源在粉末床模型上的加載示意圖

3 數值模擬結果與分析

3.1 粉末床模型各層節點溫度循環

設定激光功率為170 W、掃描速度為400 mm/s條件下，通過數值模擬所得粉末床模型各層中間單元節點處的溫度循環曲線見圖3。

圖3 粉末床模型各層中間單元節點處的溫度循環曲線

由圖3 可以看出，在SLM 成形過程中，粉末床模型各層中間單元均經歷了急熱急冷的溫度循環過程。當高斯熱源施加到該單元時，溫度急劇上升至約1 700 ℃，使得熱源區域內合金粉末瞬間熔化并形成微小熔池；而當熱源離開后，熔池熱量迅速向基板和粉末床傳導，其溫度又急劇下降至約250℃。由于上述急速冷卻過程可以有效抑制金屬晶粒長大以及合金元素偏析，使得金屬基體中固溶的合金元素無法析出而均勻分布于基體中，從而獲得晶粒細小、組織均勻的微觀組織，因此制件的綜合力學性能也非常優異。同時當熱源施加于上層粉末床模型單元時，均會對其下方單元產生熱影響，因此各層單元在經歷了第一個較大溫度波峰后，隨著熱源的移動，又會經歷不同次數的較小溫度波峰。

3.2 激光功率對溫度場的影響

激光功率和掃描速度是影響SLM 成形過程溫度場變化的兩個主要參數，同時由于兩參數的設定對于溫度場的影響具有交互作用，因此本文首先在設定掃描速度為400 mm/s 的條件下，研究不同激光功率對于SLM 溫度場變化及熱循環過程的影響規律，進而實現對于激光功率參數設定的優化。

圖4 為不同激光功率條件下，通過數值模擬所得到的粉末床模型第二層中間單元節點處的溫度循環曲線。

圖4 不同激光功率條件下粉末床模型第二層中間單元節點處的溫度循環曲線

由圖4 可以看出，隨著激光功率P 的增加，粉末床模型第二層中間單元所經歷的第一個溫度峰值也明顯提升，這是由于在較大激光功率作用下，合金粉末可以在較短時間內吸收更多能量進而溫度迅速升高。當激光功率P=140 W 時，激光熱源加載到單元上所達到的最高溫度約為1 300 ℃，由于該溫度略低于GH4169 鎳基高溫合金熔點，因此也無法實現合金粉末的熔化；當激光功率升高到170 W時，粉末床模型單元被激活時的瞬時溫度可以達到約1 700 ℃，由于該溫度足夠使合金粉末迅速熔化，因此較為適宜；當激光功率繼續升高至200 W 時，粉末床模型單元的瞬時溫度可達到約2 400 ℃，由于該溫度十分接近合金粉末材料的沸點，且極易引起制件高溫變形，因此不利于SLM 成形過程。

圖5 為不同激光功率條件下，分別為P=140 W和P=200 W 時，粉末床上最后一個單元被激活時刻的溫度場分布情況。

圖5 不同激光功率條件下粉末床上最后一個單元被激活時刻的溫度場分布情況

由圖5 可以看出，不同激光功率條件下所形成的溫度場分布形式相似，熱源中心的溫度最高，而遠離熱源中心區域的溫度呈梯度下降趨勢。在激光功率為200 W 的條件下，粉末床的整體溫度也相對更高，有利于合金粉末的充分熔化以及道間和層間的熔合；但同時所產生的溫度梯度也較大，容易導致制件的翹曲和變形。

3.3 掃描速度對溫度場的影響

本文在設定激光功率為170 W 條件下，研究了不同掃描速度對于SLM 溫度場變化及熱循環過程的影響規律。圖6 為不同掃描速度條件下，通過數值模擬所得到的粉末床模型第二層中間單元節點處的溫度循環曲線。

圖6 不同掃描速度條件下粉末床模型第二層中間單元節點處的溫度循環曲線

由圖6 可以看出，隨著掃描速度的升高，粉末床模型第二層中間單元所經歷的第一個溫度峰值呈下降趨勢。當熱源掃描速度較小時（v=100 mm/s），粉末床模型單元能充分吸收激光能量，進而達到較高的溫度峰值，約為2 600 ℃，但該溫度也極易造成合金粉末的過熱飛濺和碳化，以及最終制件的高溫變形；當熱源掃描速度較大時（v=500 mm/s），粉末床單元所吸收的激光能量相對較少，所達到溫度峰值約為1 400 ℃，可能會導致熱源邊緣區域的合金粉末無法充分熔化，造成成形缺陷。

圖7 為不同掃描速度條件下，分別為v=100 mm/s 和v=500 mm/s 時，粉末床上最后一個單元被激活時刻的溫度場分布情況。

圖7 不同掃描速度條件下粉末床上最后一個單元被激活時刻的溫度場分布情況

由圖7 可以看出，在掃描速度v=100 mm/s 條件下，粉末床的整體溫度較高，但沿各個方向的溫度梯度也較大；在掃描速度v=500 mm/s 條件下，以熱源為中心的溫度場分布沿掃描方向被明顯拉長，粉末床的整體溫度和溫度梯度相對較低。

4 結論

以GH4169 鎳基高溫合金為研究材料，采用ANSYS 有限元軟件對選區激光熔化過程中的溫度場變化及熱循環過程進行了數值模擬研究。系統性地分析了SLM 主要工藝參數激光功率和掃描速度對溫度場演變及制件性能的影響規律。具體研究成果如下。

1） 基于三維非線性瞬態溫度場控制方程，建立了SLM 成形過程溫度場有限元仿真物理模型，同時根據激光能量分布特點創建了高斯熱源模型，并實現了熱源能量在粉末床模型單元上的科學加載方式。

2） 基于SLM 的逐層熔化沉積成形過程，粉末床模型各單元均要經歷急熱急冷的溫度循環，而且循環曲線由一個較大溫度波峰和若干個較小溫度波峰組成。

3） 合理的激光功率設定有利于合金粉末的充分熔化以及道間和層間的熔合。過低功率激光熱源加載到粉末床模型單元上所達到的最高溫度無法實現合金粉末的充分熔化；隨著激光功率的增加，粉末床模型單元所經歷的第一個溫度峰值明顯提升；但激光功率過高易導致合金粉末過熱、粉末床溫度梯度較大以及制件翹曲變形。

4） 隨著激光熱源掃描速度的升高，粉末床模型單元所經歷的第一個溫度峰值呈下降趨勢。較小的掃描速度能夠使粉末床模型單元充分吸收激光能量，溫度峰值升高，但也極易造成粉末床溫度梯度較大，合金粉末過熱以及制件高溫變形；較大的掃描速度易導致熱源中心溫度過低，熱源邊緣區域的合金粉末無法充分熔化，造成成形缺陷。