案例展示金属增材制造过程仿真分析 (下篇) - 微观尺度

作者：郭鹏伟
安世中德增材应用工程师，目前从事金属增材工艺仿真、增材设计等工作。

随着金属增材制造过程仿真分析工具功能的进一步增强，金属增材仿真分析的价值将逐渐显现。开展多尺度的金属增材过程仿真分析，对于降低金属增材制造成本、提高制造质量、缩短研发周期具有重要的意义。

微观尺度增材制造过程仿真分析
微观尺度增材制造过程仿真分析，主要关注熔池特征、微观组织结构特征及详细的温度变化历史特征，通过快速计算不同工艺参数组合下熔池尺寸、未熔合产生的孔隙率以及微观结构晶粒尺寸、取向等来优化工艺参数，最终实现成形材料力学性能的调控。

-通过熔池尺寸特征优化不同激光功率、扫描速率组合
金属增材制造成形质量很大程度上由微观熔池尺寸特征决定，而激光功率、扫描速率是控制熔池尺寸特征的基本参数，较优的激光功率、扫描速率匹配组合，可以避免匙孔、未熔合、球化等缺陷的产生。ANSYS Additive Science工具可以计算不同激光功率、扫描速率组合下的熔池尺寸，快速找到较优的组合匹配，实现工艺参数的优化。

以某国际知名品牌激光粉末床熔化设备TC4大层厚60μm工艺参数优化为例，计算激光功率300W~450W，扫描速率700mm/s~1600mm/s下熔池尺寸,基于熔池重熔深度达到90μm，深宽比小于0.95，长宽比小于4.2为优化准则，选择最优激光功率、扫描速率组合匹配，图7~9为计算结果，最终优化的最优匹配结果为350W、1300mm/s组合。

图7 不同激光功率、扫描速率熔池重熔深度

图8 不同激光功率、扫描速率熔池深宽比

图9 不同激光功率、扫描速度熔池长宽比

-分析不同扫描间距下粉末未熔合产生的孔隙率
确定激光功率、扫描速率的较优匹配之后，不同的扫描间距将产生不同的搭接率，较大的扫描间距，可能产生未熔合等材料内部冶金缺陷，较小的扫描间距可能导致搭接率过大，影响成形效率及表面质量。利用ANSYS Additive Science工具计算不同扫描间距下材料未熔合产生的孔隙率，实现激光功率、扫描速率、扫描间距的综合参数优化。

在2.1得到的较优激光功率、扫描速率组合匹配基础上，进一步计算不同扫描间距0.07mm-0.17mm下的材料未熔合孔隙率（如图10所示），以粉末率小于0.005作为优化准则。最终优化结果为，当扫描间距达到0.15mm时，粉末率达到0.0047，因此，优化结果为扫描间距将不能大于0.15mm。

图10 不同扫描间距下粉末未熔合孔隙率

-分析不同工艺参数下晶粒尺寸、取向特征
材料的微观组织结构特征晶粒尺寸、形状、生长取向等决定了材料的宏观力学性能。金属增材制造过程中，微观组织结构对加工工艺参数具有较高的敏感性，研究工艺参数与微观组织结构特征的定量关系非常重要。ANSYS Additive Science工具可以计算不同工艺参数下晶粒尺寸、生长取向。图11为不同冷却速率、扫描旋转角度下晶粒尺寸、取向计算结果，材料为高温合金GH4169。

图11 不同冷却速率、扫描旋转角度下晶粒尺寸、取向计算结果

熔池的冷却速率影响微观晶粒组织，从计算结果可以看出，随着冷却速率（主要由激光功率、扫描速度决定）的增加，晶粒尺寸细化，平均粒径大约由45μm细化到15μm，晶粒分布也越均匀。层间旋转角度不仅对晶粒取向影响明显，对晶粒尺寸分布影响也较为显著，67°旋转较79°和180°晶粒尺寸分布更加均匀。此外，从计算结果也可以看出，水平方向上晶粒组织由于散热条件的不同，晶粒生长方向各异，水平方向与垂直方向晶粒组织差异明显。

基于晶粒尺寸定量计算结果，可以进行材料宏观力学性能预测。对于大多数材料，晶粒尺寸可以预测材料的屈服强度，利用Hall-Petch方程：σ0.2=σ0+Ky/d1/2 ,其中 d为晶粒直径，σ0和Ky是材料常数，可以定量计算材料的屈服强度。建立工艺参数与晶粒组织的定量关系，对于精确控制成形材料的组织及力学性能具有重要意义。

-构件几何尺度的温度历史预测
金属增材制造过程质量监控必不可少，增材制造设备也将更加智能化，温度传感器（实时监测熔池温度）、光敏传感器（实时监测熔池亮度、面积）、智能铺粉、实时成形材料缺陷监测等设备实时监控技术已经成为应用热点。

利用温度传感器可以实时获取熔池表面的温度变化及分布特征，但很难精确描述熔池内部的温度演变历史。利用仿真手段，对构件几何尺度任意区域的详细温度变化历史进行虚拟预测（如图12所示），可以为构件成形精度、内部缺陷、微观组织及力学性能的质量追溯、分析评价提供温度历史数据。

图12 温度历史监测结果

—作者—
郭鹏伟
安世中德增材应用工程师，目前从事金属增材工艺仿真、增材设计等工作。