316 L 不銹鋼多軌激光粉末床熔合過(guò)程中的熱行為和控制

供稿人:曹福升、魯中良
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�(huì)

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(jìn)行原位微觀表征，物理實(shí)驗(yàn)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(lái)越引起研究人員和工程師的興趣。針對(duì)單軌印刷工藝的熱行為進(jìn)行了大量工作。然而相鄰的兩個(gè)軌道之間會(huì)發(fā)生明顯的熱效應(yīng)，這將導(dǎo)致印后軌道的熔池尺寸變化; 同時(shí)，在LPBF增材制造過(guò)程中，在兩個(gè)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(guò)程中的熱行為對(duì)于有效控制和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工藝-結(jié)構(gòu)-性能具有重要意義。以下研究通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)316 L粉末在LPBF中的多軌熔化過(guò)程進(jìn)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(jià)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(guò)程，其中每個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)刻的溫度等值線(xiàn)�？梢园l(fā)現(xiàn)，由反沖壓力引起的熔池凹陷逐漸加深，這進(jìn)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(biāo)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(gè)軌道和第 7 個(gè)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(guò)程中熔池中的反沖壓力也增大，證實(shí)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(shí)每刻探針線(xiàn)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(xiàn)與水平線(xiàn)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(lái)表示角度的值�？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率為240 W，掃描速度為0.4 m/s，艙口間距為60 μm時(shí)，多軌熔融層的最大熱影響角為17.3°。遠(yuǎn)離這一點(diǎn)，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(qiáng)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(biāo)對(duì)應(yīng)的距離的平均值（X中間).。對(duì)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(dāng)P = 240 W，V= 0.4 m/s和H = 60 μm時(shí)，多軌熔融層的最大深度為130.93 μm。離開(kāi)這個(gè)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(dāng)其他條件固定時(shí)，多軌熔融層在P =240 W時(shí)的熱影響角明顯大于P = 160 W時(shí)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(jì)算不同P下的熔融層波動(dòng)（標(biāo)準(zhǔn)差/熔池高度平均值）。結(jié)果表明，P =160 W時(shí)的波動(dòng)（0.0176）遠(yuǎn)低于P = 240 W時(shí)的波動(dòng)（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(qiáng)馬蘭戈尼對(duì)流，導(dǎo)致熔融層的凸形更多。此外，由于每個(gè)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(dòng)更為嚴(yán)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(huì)導(dǎo)致熔融層的波動(dòng)相對(duì)較高。此外，與高掃描速度相對(duì)應(yīng)的多軌熔融層的層間重疊厚度非常低。雖然這里沒(méi)有明顯的缺陷，但可以預(yù)見(jiàn)的是，當(dāng)粉末床的厚度略有增加時(shí)，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(duì)表面波動(dòng)的影響并不規(guī)則。盡管小艙口間距會(huì)產(chǎn)生較大的表面波動(dòng)，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(huì)導(dǎo)致熔融層之間的尺寸波動(dòng)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(cè)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(cè)值和模擬值都分布在 Y=X 的線(xiàn)上或沿線(xiàn)緊密分布，這意味著預(yù)測(cè)精度很高。BPNN模型可以很好地預(yù)測(cè)不同條件下熔池的深度。因此，圖4中的結(jié)果表明，當(dāng)前的BPNN模型可以成功地用于預(yù)測(cè)多軌熔融層在任何組合條件下的熱影響角和深度。換句話(huà)說(shuō)，通過(guò)使用BPNN模型，熱控制圖可以變得更加準(zhǔn)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(cè); 熱影響角(b)和熔池深度(d)在數(shù)值模擬和BPNN預(yù)測(cè)之間的相關(guān)性

參考文獻(xiàn)：
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.