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1、選區(qū)熔化過程多尺度多物理場(chǎng)建模研究進(jìn)展閆文韜，錢亞，林峰(清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084)【摘要】選區(qū)熔化技術(shù)是一種基于粉末床的、能夠精確成形復(fù)雜零件、調(diào)控微觀組織和性能的金屬增材制造技術(shù)，其成形過程的計(jì)算機(jī)模擬對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。綜述了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，首先介紹選區(qū)熔化技術(shù)的原理及其特點(diǎn)；然后介紹國內(nèi)外對(duì)選區(qū)熔化過程已經(jīng)開展的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的研究進(jìn)展；并進(jìn)一步重點(diǎn)介紹針對(duì)電子束選區(qū)熔化過程的多尺度多物理場(chǎng)模型，主要包括：(1)微觀尺度電子束與材料相互作用的能量吸收模型；(2)細(xì)觀尺度從鋪粉到
2、粉末加熱、熔化、流動(dòng)、沉積成形全過程的模型；(3)宏觀尺度零件成形過程模型。關(guān)鍵詞：增材制造；激光；電子柬；選區(qū)熔化；多尺度建模DoI：10．16080／j．issnl67l一833x．2017．10．050閏文韜清華大學(xué)機(jī)械工程系博士，目前在美國西北大學(xué)機(jī)械工程系從事博士后科研工作。研究方向?yàn)榻饘僭霾闹圃爝^程的多尺度多物理場(chǎng)計(jì)算模擬技術(shù)與應(yīng)用，多篇論文發(fā)表在ActaMaterialia等期刊上。增材制造(AditiveManufacturing，AM)技術(shù)是一種基于“離散一堆積”成形原理的制造技術(shù)Ill，采
3、用粉末、線材、板材等為原材50航空制造技術(shù)·2017年第10期料，根據(jù)三維CAD模型數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)的控制下以逐點(diǎn)逐層的方式堆積材料，可成形較復(fù)雜的形狀，不需要特定性能和形狀的模具或工具，大幅縮短了“設(shè)計(jì)一試制一生產(chǎn)”的研發(fā)流程。在早期以非金屬材料或非致密構(gòu)件為主的“快速原型(RapidPrototyping)”技術(shù)口1基礎(chǔ)上，20世紀(jì)90年代，美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出激光熔覆沉積工藝，同步輸送金屬粉末和激光，使粉末快速熔化后凝固沉積成致密組織；德國弗朗霍夫激光研究所(ILT)提出了激光選區(qū)熔化技術(shù)(S
4、LM)f3I，采用激光直接完全熔化金屬粉末層內(nèi)的選定區(qū)域，制造致密的零件；瑞典ARCAM公司研發(fā)出電子束選區(qū)熔化(EBSM)技術(shù)，采用電子束逐層熔化粉末層。這些工藝均可直接制造高強(qiáng)度的致密金屬零件，可作為實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品而不再局限于原型，真正開啟了“增材制造”技術(shù)的時(shí)代。金屬粉末床選區(qū)熔化技術(shù)原理及特點(diǎn)激光／電子束選區(qū)熔化(EBSM設(shè)備見圖1，SLM設(shè)備是采用激光器取代電子槍，且成形室無需真空)這兩種技術(shù)的原理基本一致，主要步驟是【41：(1)粉層鋪設(shè)，在基板上鋪展一定厚度的粉末。(2)粉末預(yù)熱，粉床的預(yù)熱溫度
5、視粉末材料而定，該過程使粉末產(chǎn)生預(yù)燒結(jié)，防止粉末飛濺和吹粉現(xiàn)象，此步驟是激光選區(qū)熔化技術(shù)的可選項(xiàng)，電子束選區(qū)熔化技術(shù)的必選項(xiàng)。在鋪第一層粉末之前，可先利用激光／電子束的快速掃描或感應(yīng)加熱對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱(EBSM中基板的預(yù)熱溫度可高達(dá)1000K)，這樣有利于保持整體粉床的溫度，并降低熱應(yīng)力、防止熱裂紋的產(chǎn)生。(3)成形掃描，根據(jù)設(shè)定的掃描路徑掃描成形零件的一層截面，使零件截面內(nèi)的粉末充分熔化形成致密刪m。。Manu‰¨吣塒刪吲增材樹造技術(shù)的結(jié)合。(4)成形平臺(tái)下降，下降的高度決定了下一粉層的厚度，重復(fù)步驟(1)
6、～(3)實(shí)現(xiàn)零件的制造。金屬粉末床選區(qū)熔化技術(shù)與激光熔覆沉積技術(shù)的主要區(qū)別在于粉末供給方式。采用鋪粉的方式，彌補(bǔ)了激光熔覆沉積技術(shù)(LENS)精度較低、需要后續(xù)機(jī)加工、不易制作具有內(nèi)流道或多孑L結(jié)構(gòu)零件等方面的不足瞪]，但也有成形零件尺寸較小(受成形室尺寸限制)、效率較低等缺點(diǎn)。SLM與EBSM技術(shù)的主要區(qū)別在于不同的能量源，由此而來的各自的特點(diǎn)分別是：(1)SLM?！?yōu)點(diǎn)：光斑直徑小、成形精度高、成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜能力強(qiáng)、無需真空環(huán)境?！と秉c(diǎn)：能量利用率低、粉末床溫度較低、溫度梯度大、熱應(yīng)力大、易變形開裂。(2)
7、EBSM?！?yōu)點(diǎn)：能量利用率高、電子束掃描速度快、作用深度大、粉末層厚度大、成形效率較高(如Arcam推出的A2型設(shè)備的成形效率約80c1113／h，為SLM的2～4倍)、真空成形室有效減少了氧化等材料污染問題，粉末床溫度高，熱應(yīng)力和變形較小?！と秉c(diǎn)：不適合成形不導(dǎo)電材料，容易出現(xiàn)靜電排斥引起的吹粉現(xiàn)象，導(dǎo)致成形失敗，真空環(huán)境易引起元素?fù)]發(fā)，制件表面粗糙度較大。目前，國際上有EOS、SLMSolution和ConceptLaser等公司提供成套的SLM設(shè)備和成形工藝方案。美國、英國、法國、比利時(shí)等國家眾多大學(xué)
8、和研究所在成形缺陷、微觀組織演化、殘余應(yīng)力與力學(xué)性能等方面開展了大量的研究工作瞪]。國內(nèi)的華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)都相繼開展了SLM技術(shù)的研究[6-81，不但開發(fā)出了實(shí)用化、高性能的系列設(shè)備，還對(duì)鈦合金、鎳基高溫合金、金屬間化合物、納米顆粒增強(qiáng)鋁合金和鎂合金等材料的基礎(chǔ)成形工藝和性能進(jìn)行了研究，制造出帶有型面和型腔的復(fù)雜金屬零件，并取得了實(shí)用化成果。美國宇航局(NASA)、波音公
