等离子熔积成形过程温度场与应力场的数值模拟

摘要

等离子熔积快速制造是基于层积成形原理，采用高能量密度的等离子弧熔化金属粉末，在基板上按照数字化设定的轨迹逐层堆积金属零件的技术。该技术适合高熔点金属零件的快速制造，受到人们的广泛关注。熔积成形的技术关键是成形性与热应力的控制，而这些与成形过程的温度场和应力场紧密相关。因此，有必要系统研究工艺条件对熔积成形温度场和应力场的影响规律，进而研究其对零件成形质量的影响。 本文基于传热学和热弹塑性理论，结合等离子熔积过程的特点，实现了高温合金熔积过程的数值模拟。研究重点是建立熔积层单元按照设定轨迹自动激活的生长模型和移动热源条件下动质传热过程的温度场和应力场的计算模型。首先，在考虑熔池表面张力的影响下，拟合出熔积层表面几何形貌的曲线方程，建立熔积层几何模型。其次，利用通用有限元软件ANSYS，将几何模型划分为能够进行温度场和应力场弱耦合计算的六面体网格单元，生成有限元模型，计算熔积单元激活生长顺序；根据高斯热源模型计算熔积过程中的热流输入，建立较为全面和准确的热量输入模型。最后，使用APDL语言二次开发，编写熔积过程温度场和应力场模拟程序。在数值模拟的理论基础上，以镍基高温合金材料为例，分析了不同工艺条件下的熔积生长过程。模拟结果表明，成形中的温度场随时空急剧变化，随着熔积层的增加逐渐趋向均匀。工件上的最大残余应力出现在熔积层和基板连接的尖角附近，而且在水急冷条件下的应力情况优于自然对流条件。在自然对流的条件下尖角附近为三向受拉，易在连接位置产生微裂纹。而采用水急冷提高冷却速率则可以使此处变为三向受压，减少微裂纹产生倾向。提高熔积速率，可以改善了热应力场的均匀性，降低热应力值，减少热裂纹产生的倾向。提高基体的初始温度也可以降低热应力值。最后通过对温度场的实验测定，模拟结果与实验结果基本吻合，表明了熔积成形模拟计算模型的合理性。