引言

鈦合金增材制造技術(shù)因其在復(fù)雜構(gòu)件成形方面的獨(dú)特優(yōu)勢，已成為航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的關(guān)鍵制造工藝[1-2]。與傳統(tǒng)減材制造不同，該技術(shù)通過逐層熔融沉積鈦合金絲材實(shí)現(xiàn)近凈成形，其中焦耳熱分配控制直接影響熔池穩(wěn)定性與成形質(zhì)量[3]。

當(dāng)前研究面臨的核心挑戰(zhàn)在于:預(yù)熱不足導(dǎo)致層間結(jié)合力弱化(孔隙率>5%)，降低力學(xué)性能[4];熱積累過量，引發(fā)碳化燒損(溫度>1700℃時，燒蝕深度波動±18%)[5]，影響尺寸精度;真空環(huán)境下熱耗散機(jī)制不明確，加劇殘余應(yīng)力聚集(最大等效應(yīng)力達(dá)4.02x10⁸Pa[6]}。為此，本文提出基于焦耳

熱協(xié)同調(diào)控的優(yōu)化方法:建立瞬態(tài)熱-力耦合模型(ANSYS平臺)，量化真空條件下預(yù)熱溫度場(基準(zhǔn)值1638℃)與熔融熱的動態(tài)分配關(guān)系;設(shè)計(jì)多參數(shù)對比試驗(yàn)(激光功率1~10kW)，揭示配比對燒結(jié)深度、形變及應(yīng)力的影響機(jī)制;基板尺寸10mm 10mmx3mm，絲材截面2mmx2mmx0.03mm，采用混合網(wǎng)格技術(shù)(掃描區(qū)六面體網(wǎng)格0.025mm，非掃描區(qū)自適應(yīng)網(wǎng)格)平衡計(jì)算效率與精度[7-9]。該研究為高精度鈦合金絲材增材制造提供理論支撐，對解決熱致缺陷、增強(qiáng)成形件服役性能具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1、溫度場有限元分析

1.1模型建立

基板是一個尺寸為10mm10mm3mm的長方體(最底部灰色部分)，絲材打印的模型為100個熔融并連接在一起的尺寸為1mmx1mmx1mm的正方體，一共累計(jì)10層[10-12]。在基板一個邊的中心建立三維坐標(biāo)系O(0，0，0)，并使正方體一邊的中點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)，使其形成一個單道多層的幾何模型，如圖1所示。

1.2 3D打印溫度場

在3D打印第1層打印完成之后，最高溫度區(qū)域逐漸向試件的中部移動。這是因?yàn)樵诖蛴∵^程中，試件內(nèi)部散熱困難，隨著打印高度增加，溫度逐漸向試件的下部傳遞，同一等溫線所包圍的區(qū)域越來越大，熱影響區(qū)逐漸增大。這是由于每進(jìn)行下一層打印時，下層打印溫度均會傳遞給本層，不斷地進(jìn)行熱積累，熱影響區(qū)就越來越大。

如圖2所示，該工況下激光功率處于試驗(yàn)設(shè)定的最高水平(10kW)，熔融熱在熱分配中占比更高(1:2)。打印溫度在前幾秒內(nèi)迅速攀升至3200℃的高位峰值，且每1層打印啟動時均對應(yīng)1個明顯的溫度峰值。由于高功率輸入與熔融熱占優(yōu)的分配模式，熱積累效應(yīng)極為顯著，隨著打印層數(shù)增加，熔融熱不斷疊加，溫度持續(xù)升高，全程維持在較高水平，后期溫度接近鈦合金燒損臨界區(qū)間，熱穩(wěn)定性較差。

如圖3所示，激光功率降至7kW，預(yù)熱與熔融熱分配比調(diào)整為2:3，預(yù)熱貢獻(xiàn)占比相較于10kW工況有所提升。溫度在前幾秒內(nèi)仍能快速升至3200℃，每1層打印啟動時的溫度峰值特征依然明顯，但受功率降低與預(yù)熱占比優(yōu)化的影響，后續(xù)每層打印帶來的溫度疊加幅度較10kW工況更為平緩，熱積累速率有所減緩，溫度整體呈穩(wěn)步上升趨勢，未出現(xiàn)急劇攀升的現(xiàn)象。

如圖4所示，激光功率進(jìn)一步降至5kW，預(yù)熱與熔融熱分配比優(yōu)化為3:4，預(yù)熱作用得到進(jìn)一步強(qiáng)化。打印溫度大約在10s后達(dá)到3200℃，但后續(xù)隨著打印層數(shù)增加，得益于較低的功率輸入與更高的預(yù)熱占比，熔融熱疊加效應(yīng)被有效緩解，溫度峰值的提升幅度明顯減小，溫度場波動范圍收窄，整體熱穩(wěn)定性優(yōu)于高功率(10kW，7kW)工況，熱積累現(xiàn)象得到初步控制。

如圖5所示，激光功率為3kW，預(yù)熱與熔融熱分配比達(dá)到1:1的均衡狀態(tài)。溫度在前幾秒內(nèi)迅速升至1500℃后，由于熱輸入與熱擴(kuò)散效率形成良好匹配，后續(xù)每層打印時的溫度疊加效應(yīng)溫和，溫度場整體波動較小,未出現(xiàn)明顯的大幅升溫趨勢。全程溫度圍繞鈦合金理想打印溫度區(qū)間( 1 638℃左右)波動，熱積累效應(yīng)最弱，溫度場穩(wěn)定性最佳。

如圖6所示，激光功率為試驗(yàn)設(shè)定的最低值(1kW)，且預(yù)熱在熱分配中占主導(dǎo)地位(2:1)，熔融熱輸入相對不足。打印溫度大約在15s時升至1300℃，但后續(xù)隨著打印層數(shù)增加，受低功率與高預(yù)熱占比的影響，熔融熱補(bǔ)充不足，溫度提升速率顯著放緩，甚至出現(xiàn)升溫趨緩的態(tài)勢。整體溫度水平低于其他功率工況，熱積累效應(yīng)最弱，因熔融熱不足，故溫度難以穩(wěn)定維持在鈦合金理想熔融區(qū)間。

可見每一層打印都會疊加溫度直至打印完成，在打印過程中因熔融熱不同導(dǎo)致平均打印溫度各不相同，最接近金屬鈦合金的打印溫度為1600℃左右，熔融熱溫度與預(yù)熱溫度分配比為1:1時，打印件質(zhì)量最好。

2、應(yīng)變場分析

ANSYS仿真可得到鈦合金在高溫下的應(yīng)力場云分布圖，可反映材料在特定工況下的應(yīng)力狀態(tài)。在3D打印過程中，鈦合金材料容易受到熱應(yīng)力的影響。在SLM打印過程中，由于激光是逐層打印的，導(dǎo)致各層的殘余應(yīng)力分布不均勻。圖7~9為應(yīng)力變化圖。

在ANSYS鈦合金熱應(yīng)力仿真分析時除了應(yīng)力云圖外，還可得到鈦合金在高溫下的形變曲線圖，如圖10所示。該圖可以更準(zhǔn)確地反映出在某時刻的應(yīng)力應(yīng)變狀況，可以更好地了解打印件的形變量。

圖11中的等效彈性應(yīng)變曲線為3D打印工藝優(yōu)化提供了明確的量化依據(jù):曲線中最大應(yīng)變通常出現(xiàn)在激光掃描熔池中心的瞬間，若持續(xù)超過材料臨界值，則預(yù)示過熱風(fēng)險(xiǎn)，易引發(fā)微裂紋，此時應(yīng)降低激光功率或提升掃描速度;最小應(yīng)變反映層間冷卻后的彈性恢復(fù)狀態(tài)，若該值偏高，則說明冷卻不足，需延長層間時間或加強(qiáng)散熱;而平均應(yīng)變則表征全過程的熱應(yīng)力水平，可通過預(yù)熱基板或采用分區(qū)掃描策略使其穩(wěn)定在更低區(qū)間，從而抑制翹曲、提升尺寸一致性。整條曲線實(shí)質(zhì)上構(gòu)建了一個“應(yīng)變-工藝”閉環(huán):通過實(shí)時監(jiān)測應(yīng)變特征并反向調(diào)控?zé)彷斎肱c冷卻節(jié)奏，即可實(shí)現(xiàn)從被動成形到主動控性的跨越，這對航空航天等高精度金屬增材制造具有重要指導(dǎo)意義。

一般來說，隨著溫度升高，材料的塑性變形能力增加，導(dǎo)致材料的破壞強(qiáng)度降低，從而使等效應(yīng)力降低。此外，在高溫下由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，也會影響材料的強(qiáng)度和耐久性，導(dǎo)致對等效應(yīng)力的影響，如圖12所示。

在預(yù)熱和熔融熱分配比為1:1時，打印件的等效彈性應(yīng)變?yōu)?.14x10^-3，等效應(yīng)力為4.0197x 10°Pa，總形變量為0.05746mm。可以看出，鈦合金在溫度升高的情況下，總形變量越來越大。這是由于隨溫度升高，材料的熱膨脹系數(shù)越來越大，致使打印件的尺寸隨之增大。打印件內(nèi)部的熱積累也會使打印件內(nèi)部的應(yīng)力變化，進(jìn)一步導(dǎo)致材料形變。因此，選擇適宜的激光功率和加入一定的冷卻時間會使成形件擁有更好的質(zhì)量。

3、結(jié)論

本文通過建立真空環(huán)境下鈦合金絲材增材制造的焦耳熱預(yù)熱-熔融熱分配模型，系統(tǒng)研究了熱分配比對成形質(zhì)量的影響，主要結(jié)論為:

(1)在打印過程中因熔融熱不同導(dǎo)致平均打印溫度各不相同，最接近金屬鈦合金的打印溫度為

1600℃左右，熔融熱與預(yù)熱分配比為1:1時，打印件質(zhì)量最好。

(2)在預(yù)熱和熔融熱分配比例為1:1時，打印件的等效彈性應(yīng)變?yōu)?.14x10^-3，等效應(yīng)力為4.0197x 10°Pa，總形變量為0.05746mm。

(3)本研究證實(shí)焦耳熱預(yù)熱分配協(xié)同控制是提升真空鈦合金打印質(zhì)量的核心途徑，為高精度航空航天部件制造提供理論支撐。

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（注，原文標(biāo)題：金屬鈦合金絲材3D打印焦耳熱預(yù)熱和熔融熱分配分析_張偉博）

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