基于數(shù)值模擬的激光熔絲合金鋼增材制造熱-力行為研究

基于數(shù)值模擬的激光熔絲合金鋼增材制造熱-力行為研究一、引言1.1研究背景與意義隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)高性能金屬零件的需求日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)制造技術(shù)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高性能材料制造時(shí)面臨諸多挑戰(zhàn)，如加工周期長(zhǎng)、材料利用率低等。激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，作為一種新型的制造技術(shù)，其利用高能量密度的激光束將合金絲材逐層熔化并堆積，直接制造出金屬零件，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)具備生產(chǎn)接近最終成形形狀金屬零件的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)難加工金屬的制造，為制造業(yè)帶來(lái)了新的突破。在航空航天領(lǐng)域，該技術(shù)可用于制造復(fù)雜形狀的航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等，減輕零件重量的同時(shí)提高其性能，滿足航空航天對(duì)零件輕量化和高性能的嚴(yán)格要求；在汽車制造中，能快速制造出個(gè)性化的零部件，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本；在醫(yī)療器械方面，可制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的植入物，提高醫(yī)療器械的性能和適用性。然而，激光熔絲合金鋼增材制造過程極為復(fù)雜，涉及到多種物理現(xiàn)象。其中，溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布對(duì)成形質(zhì)量和零件性能有著至關(guān)重要的影響。在增材制造過程中，激光能量的快速輸入與輸出使得材料經(jīng)歷劇烈的加熱和冷卻過程，導(dǎo)致溫度場(chǎng)分布極不均勻。這種不均勻的溫度場(chǎng)會(huì)引發(fā)材料的熱膨脹和收縮差異，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。同時(shí)，材料在凝固過程中的相變也會(huì)引起體積變化，進(jìn)一步加劇應(yīng)力的產(chǎn)生。如果溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)得不到有效控制，會(huì)導(dǎo)致零件出現(xiàn)多種缺陷。例如，過高的溫度梯度可能導(dǎo)致熔池凝固速度過快，產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷；不均勻的應(yīng)力分布則可能使零件發(fā)生變形，影響其尺寸精度和表面質(zhì)量。這些缺陷不僅會(huì)降低零件的力學(xué)性能，還可能導(dǎo)致零件在使用過程中出現(xiàn)失效，嚴(yán)重制約了激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。通過對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以深入了解增材制造過程中的物理機(jī)制。數(shù)值模擬能夠提供溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)在不同時(shí)刻和位置的詳細(xì)信息，幫助研究人員分析溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律及其對(duì)零件性能的影響?；谀M結(jié)果，研究人員可以優(yōu)化工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度、送絲速度等，以改善溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布，從而提高零件的成形質(zhì)量和性能。數(shù)值模擬還可以為工藝改進(jìn)提供指導(dǎo)，降低實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間，加速激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。因此，對(duì)激光熔絲合金鋼增材制造過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬具有重要的理論和實(shí)際意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，激光熔絲增材制造技術(shù)在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者針對(duì)其溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬展開了深入研究。在國(guó)外，學(xué)者們運(yùn)用多種方法對(duì)激光熔絲增材制造過程進(jìn)行模擬分析。[學(xué)者姓名1]等人采用有限元方法，對(duì)激光熔絲增材制造過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)溫度分布的影響。他們發(fā)現(xiàn)，激光功率和掃描速度的變化會(huì)顯著改變溫度場(chǎng)的分布，較高的激光功率會(huì)使熔池溫度升高，而較快的掃描速度則會(huì)導(dǎo)致溫度梯度增大。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)具有較好的一致性。[學(xué)者姓名2]通過建立三維瞬態(tài)傳熱模型，深入分析了激光熔絲增材制造過程中的熱歷史與微觀結(jié)構(gòu)演變之間的關(guān)系。研究表明，熱歷史對(duì)材料的凝固組織和性能有著重要影響，不同的溫度變化歷程會(huì)導(dǎo)致不同的微觀結(jié)構(gòu)形成。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)研究也取得了豐碩成果。任朝暉利用ABAQUS軟件建立了完全熱力耦合有限元模型，研究了Ti-6Al-4V鈦合金單道多層薄壁件沉積過程中的熱循環(huán)特性和殘余應(yīng)力分布。結(jié)果表明，沉積成形經(jīng)歷了快速加熱和快速冷卻的過程，隨著層數(shù)的增加，熱累積效應(yīng)增強(qiáng)；沉積層整體呈拉應(yīng)力狀態(tài)，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。李俐群結(jié)合有限元數(shù)值模擬方法，研究了Ti6Al4V單墻體的激光熔化沉積過程中激光功率、掃描速度等對(duì)熔池尺寸、微觀組織定向生長(zhǎng)特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)這些工藝參數(shù)的變化會(huì)影響熔池的形狀和尺寸，進(jìn)而影響微觀組織的生長(zhǎng)方向和形態(tài)。然而，當(dāng)前的研究仍存在一些不足與空白。一方面，在數(shù)值模擬中，對(duì)一些復(fù)雜物理現(xiàn)象的考慮還不夠全面。例如，熔池內(nèi)的流體流動(dòng)、材料的相變潛熱以及多物理場(chǎng)之間的強(qiáng)耦合作用等，這些因素對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布有著重要影響，但在現(xiàn)有的模擬研究中，往往只是進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。另一方面，對(duì)于不同合金成分的激光熔絲增材制造過程，缺乏系統(tǒng)性的研究。不同合金具有不同的熱物理性能和相變特性，其在增材制造過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)演變規(guī)律也會(huì)有所不同，但目前針對(duì)多種合金體系的對(duì)比研究還較少。此外，在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，雖然已有一些研究成果，但大多數(shù)是基于單一性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，缺乏綜合考慮成形質(zhì)量、力學(xué)性能和生產(chǎn)效率等多目標(biāo)的優(yōu)化方法。在實(shí)際應(yīng)用中，如何在保證零件質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率和降低成本，是亟待解決的問題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究旨在深入探究激光熔絲合金鋼增材制造過程中的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)，通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，全面分析工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響，為提高激光熔絲合金鋼增材制造零件的質(zhì)量和性能提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：建立激光熔絲合金鋼增材制造的數(shù)值模型：根據(jù)激光熔絲增材制造的工藝特點(diǎn)和物理過程，基于有限元方法，利用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，建立三維瞬態(tài)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合模型。在模型中，充分考慮材料的熱物理性能隨溫度的變化、激光能量的輸入方式、熔池內(nèi)的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象以及材料的相變潛熱等因素。合理設(shè)置模型的邊界條件和初始條件，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際的增材制造過程。例如，對(duì)于邊界條件，考慮熱對(duì)流和熱輻射的影響，設(shè)定合適的對(duì)流換熱系數(shù)和輻射率；對(duì)于初始條件，確定基板和焊絲的初始溫度。通過生死單元技術(shù)模擬材料的逐層添加過程，使模型更加真實(shí)地模擬增材制造的實(shí)際情況。模擬分析溫度場(chǎng)的分布與演變規(guī)律：運(yùn)用建立好的數(shù)值模型，對(duì)不同工藝參數(shù)下的激光熔絲合金鋼增材制造過程進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。分析激光功率、掃描速度、送絲速度等工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，研究熔池的形狀、尺寸和溫度梯度隨時(shí)間的變化規(guī)律。通過模擬結(jié)果，繪制溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)云圖，直觀展示溫度場(chǎng)的演變過程。例如，觀察在不同激光功率下，熔池溫度的升高和降低速度，以及熔池尺寸的變化情況；分析掃描速度對(duì)溫度梯度的影響，探討溫度梯度與熔池凝固組織之間的關(guān)系。研究熱累積效應(yīng)在多層堆積過程中的作用，分析隨著堆積層數(shù)的增加，溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)以及對(duì)零件質(zhì)量的影響。模擬分析應(yīng)力場(chǎng)的分布與演變規(guī)律：基于溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，考慮材料的熱膨脹、收縮以及相變引起的體積變化，進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的模擬分析。研究不同工藝參數(shù)下應(yīng)力場(chǎng)的分布特點(diǎn)，分析殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制和分布規(guī)律。通過模擬結(jié)果，繪制應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)云圖，展示應(yīng)力場(chǎng)的演變過程。例如，觀察在不同掃描速度下，應(yīng)力的分布情況和大小變化；分析送絲速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，探討如何通過調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)降低殘余應(yīng)力。研究應(yīng)力集中區(qū)域的位置和原因，評(píng)估應(yīng)力對(duì)零件變形和開裂的影響，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供依據(jù)。工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律研究：通過單因素實(shí)驗(yàn)法，分別改變激光功率、掃描速度、送絲速度等工藝參數(shù)，進(jìn)行多組數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。分析每個(gè)工藝參數(shù)單獨(dú)變化時(shí)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，建立工藝參數(shù)與溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)之間的定量關(guān)系。例如，通過改變激光功率，觀察溫度場(chǎng)中熔池溫度和尺寸的變化，以及應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力大小和分布的改變；研究掃描速度對(duì)溫度梯度和應(yīng)力集中程度的影響。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，綜合考慮多個(gè)工藝參數(shù)的交互作用，進(jìn)行多因素多水平的模擬實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，確定各工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)影響的主次順序，篩選出優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，以獲得理想的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，提高零件的成形質(zhì)量和性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型修正：設(shè)計(jì)并進(jìn)行激光熔絲合金鋼增材制造實(shí)驗(yàn)，采用紅外熱像儀、熱電偶等溫度測(cè)量設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)增材制造過程中的溫度變化，獲取不同工藝參數(shù)下的實(shí)際溫度數(shù)據(jù)。通過X射線衍射（XRD）、電子背散射衍射（EBSD）等技術(shù)，分析零件的微觀組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布，獲取實(shí)際的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。如果發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大偏差，分析原因并對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行修正和優(yōu)化。例如，檢查模型中材料熱物理性能參數(shù)的準(zhǔn)確性，調(diào)整熱源模型的參數(shù)，改進(jìn)邊界條件和初始條件的設(shè)置等。通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和模型修正，使數(shù)值模型能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)激光熔絲合金鋼增材制造過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，為實(shí)際生產(chǎn)提供可靠的理論指導(dǎo)。1.3.2研究方法有限元法：有限元法是一種將連續(xù)體離散化，通過求解有限個(gè)單元的近似解來(lái)逼近真實(shí)解的數(shù)值計(jì)算方法。在本研究中，利用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立激光熔絲合金鋼增材制造的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模型。將增材制造過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象進(jìn)行合理簡(jiǎn)化和抽象，轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，通過有限元軟件進(jìn)行數(shù)值求解。有限元法能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，準(zhǔn)確模擬溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布和演變規(guī)律，為研究提供了有力的工具。數(shù)值模擬法：基于建立的有限元模型，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)激光熔絲合金鋼增材制造過程進(jìn)行模擬分析。通過設(shè)置不同的工藝參數(shù)和邊界條件，模擬不同工況下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化情況。數(shù)值模擬可以在計(jì)算機(jī)上快速進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，節(jié)省時(shí)間和成本，同時(shí)能夠獲取豐富的物理量信息，為深入研究溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的特性提供了便利。通過數(shù)值模擬，還可以對(duì)一些難以通過實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量的物理現(xiàn)象進(jìn)行研究，拓展了研究的范圍和深度。實(shí)驗(yàn)研究法：開展激光熔絲合金鋼增材制造實(shí)驗(yàn)，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段獲取溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為模型的修正和優(yōu)化提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究可以直觀地觀察增材制造過程中的各種現(xiàn)象，獲取真實(shí)的零件性能數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬相互補(bǔ)充，共同推動(dòng)研究的深入進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。理論分析法：運(yùn)用傳熱學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)激光熔絲合金鋼增材制造過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行理論分析。建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)公式，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和模擬結(jié)果背后的物理機(jī)制。理論分析可以為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)，指導(dǎo)研究方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施，同時(shí)也有助于深入理解增材制造過程中的物理本質(zhì)。通過理論分析，還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析和討論，挖掘數(shù)據(jù)背后的深層次信息。二、激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)原理2.1技術(shù)概述激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)基于“離散-堆積”原理，以高能量密度的激光束作為熱源，金屬合金絲材為原料。在計(jì)算機(jī)控制下，將三維模型按照一定厚度進(jìn)行分層切片，得到每層的輪廓信息。隨后，激光束根據(jù)這些輪廓信息進(jìn)行掃描，同時(shí)送絲裝置將合金絲材以一定速度送入激光作用區(qū)域。在激光能量的作用下，合金絲材迅速熔化，形成熔池，熔池中的液態(tài)金屬在重力、表面張力和凝固收縮力等多種力的作用下，與基板或前一層已凝固的材料熔合，并在短時(shí)間內(nèi)快速凝固，從而完成一層材料的堆積。通過逐層重復(fù)上述過程，最終堆積形成具有復(fù)雜形狀的合金鋼零件。這一技術(shù)過程中，激光束的能量輸入是關(guān)鍵因素。激光能量的高度集中使得合金絲材能夠在極短時(shí)間內(nèi)吸收大量熱量，迅速?gòu)墓虘B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，形成高溫熔池。激光能量的分布和作用時(shí)間直接影響熔池的溫度、尺寸和形狀，進(jìn)而影響材料的熔化和凝固過程。送絲速度、掃描速度等工藝參數(shù)與激光能量輸入相互配合，共同決定了單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的材料量以及熔池的熱狀態(tài)。送絲速度過快，可能導(dǎo)致絲材無(wú)法完全熔化，出現(xiàn)未熔合缺陷；送絲速度過慢，則會(huì)影響堆積效率，導(dǎo)致熔池溫度過高，引發(fā)氣孔、裂紋等缺陷。掃描速度的變化會(huì)改變激光在單位面積上的作用時(shí)間，從而影響熔池的溫度梯度和凝固速率，對(duì)零件的微觀組織和性能產(chǎn)生重要影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要精確控制這些工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池狀態(tài)的有效調(diào)控，確保零件的成形質(zhì)量和性能。逐層堆積過程是激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)的核心環(huán)節(jié)。每一層的堆積都在前一層的基礎(chǔ)上進(jìn)行，層與層之間的結(jié)合質(zhì)量直接關(guān)系到零件的整體性能。在堆積過程中，熔池中的液態(tài)金屬與前一層已凝固的材料充分熔合，形成冶金結(jié)合。然而，由于熱循環(huán)的作用，每一層在凝固過程中都會(huì)經(jīng)歷快速加熱和冷卻，這會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力和微觀組織變化。隨著堆積層數(shù)的增加，熱累積效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，使得后續(xù)層的溫度場(chǎng)分布更加復(fù)雜，進(jìn)一步加劇了熱應(yīng)力的產(chǎn)生和微觀組織的不均勻性。為了減少這些不利影響，需要合理設(shè)計(jì)堆積策略，如采用交替掃描方式、優(yōu)化層間冷卻時(shí)間等，以改善溫度場(chǎng)分布，降低熱應(yīng)力，提高層間結(jié)合質(zhì)量，確保零件的內(nèi)部質(zhì)量和尺寸精度。2.2工藝參數(shù)在激光熔絲合金鋼增材制造過程中，工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有著顯著影響，進(jìn)而決定了零件的成形質(zhì)量和性能。其中，激光功率、掃描速度和送絲速度是最為關(guān)鍵的工藝參數(shù)。激光功率直接決定了輸入到材料中的能量大小，對(duì)熔池的溫度和尺寸起著決定性作用。當(dāng)激光功率增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)輸入的能量增多，熔池吸收的熱量增加，導(dǎo)致熔池溫度顯著升高。相關(guān)研究表明，在一定范圍內(nèi)，激光功率每增加100W，熔池最高溫度可升高50-100℃。較高的溫度會(huì)使合金絲材的熔化速度加快，熔池尺寸增大。研究顯示，激光功率從200W增加到300W時(shí)，熔池長(zhǎng)度可能會(huì)增加1-2mm，寬度增加0.5-1mm。這是因?yàn)楦叩哪芰渴沟眉す庾饔脜^(qū)域的材料能夠更充分地吸收熱量，從而擴(kuò)大了熔化范圍。隨著熔池溫度和尺寸的變化，溫度場(chǎng)的分布也會(huì)發(fā)生改變。熔池溫度升高，會(huì)導(dǎo)致熔池與周圍未熔化材料之間的溫度梯度增大，使得熱量傳遞更加迅速。在熔池邊緣，由于溫度梯度較大，熱應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，容易引發(fā)裂紋等缺陷。當(dāng)激光功率過高時(shí)，熔池溫度過高，可能導(dǎo)致材料過度熔化，產(chǎn)生氣孔、飛濺等問題，嚴(yán)重影響零件的成形質(zhì)量。掃描速度是指激光束在材料表面移動(dòng)的速度，它與激光功率共同決定了單位面積上的能量輸入。當(dāng)掃描速度增加時(shí)，激光在單位面積上的作用時(shí)間縮短，單位面積獲得的能量減少，熔池溫度隨之降低。研究表明，掃描速度從5mm/s增加到10mm/s時(shí)，熔池平均溫度可能降低50-100℃。熔池冷卻速度加快，使得熔池尺寸減小。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，掃描速度提高一倍，熔池長(zhǎng)度可能縮短1-3mm，寬度減小0.5-1.5mm。這是因?yàn)榧す馐焖僖苿?dòng)，使得材料在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法充分吸收能量，熔化范圍減小。掃描速度的變化對(duì)溫度梯度和應(yīng)力場(chǎng)有著重要影響。掃描速度越快，溫度梯度越大，材料在快速冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力也越大。這是因?yàn)榭焖倮鋮s導(dǎo)致材料內(nèi)部不同部位的收縮差異增大，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。當(dāng)掃描速度過快時(shí)，過大的熱應(yīng)力可能導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形甚至開裂。掃描速度還會(huì)影響熔池的凝固組織。較快的掃描速度會(huì)使熔池冷卻速度加快，晶粒生長(zhǎng)時(shí)間縮短，有利于形成細(xì)小的晶粒組織，從而提高零件的力學(xué)性能。送絲速度決定了單位時(shí)間內(nèi)送入熔池的合金絲材的量，它與激光功率和掃描速度之間需要合理匹配，以保證增材制造過程的穩(wěn)定性和零件的質(zhì)量。當(dāng)送絲速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的合金絲材增多，如果激光功率和掃描速度不變，熔池內(nèi)的熱量不足以完全熔化新增的絲材，就會(huì)導(dǎo)致絲材熔化不完全，出現(xiàn)未熔合缺陷。送絲速度過慢，則會(huì)使熔池溫度過高，導(dǎo)致熔池過度熔化，可能產(chǎn)生氣孔、塌陷等問題。送絲速度的變化還會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生間接影響。送絲速度的改變會(huì)影響熔池的形狀和尺寸，進(jìn)而影響溫度場(chǎng)的分布。當(dāng)送絲速度增加時(shí)，熔池體積增大，溫度場(chǎng)的分布范圍也會(huì)相應(yīng)擴(kuò)大，但熔池的平均溫度可能會(huì)略有降低。在應(yīng)力場(chǎng)方面，送絲速度的變化會(huì)導(dǎo)致熔池凝固過程中的體積變化不同，從而影響殘余應(yīng)力的大小和分布。合理控制送絲速度，能夠有效改善溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布，提高零件的成形質(zhì)量和性能。2.3與傳統(tǒng)制造技術(shù)對(duì)比激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，在多個(gè)方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)制造技術(shù)如鑄造、鍛造、機(jī)械加工等，在制造業(yè)中占據(jù)重要地位，經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展已形成成熟的工藝體系，但在應(yīng)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造和高性能材料加工時(shí)存在一定局限性。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造能力方面，傳統(tǒng)制造技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)。鑄造工藝雖能制造形狀較為復(fù)雜的零件，但對(duì)于具有精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、薄壁和異形特征的零件，難以精確成型，且容易出現(xiàn)縮孔、疏松等缺陷。鍛造工藝則需要借助模具對(duì)坯料進(jìn)行塑性變形，模具的設(shè)計(jì)和制造周期長(zhǎng)、成本高，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，模具的加工難度大，甚至無(wú)法制造。機(jī)械加工是通過去除材料的方式來(lái)獲得所需形狀，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，需要進(jìn)行多道工序的加工，不僅加工時(shí)間長(zhǎng)，而且材料利用率低，還可能因加工過程中的應(yīng)力集中導(dǎo)致零件變形或開裂。相比之下，激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)基于逐層堆積原理，能夠輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的直接制造，不受零件形狀復(fù)雜度的限制。它可以制造出具有內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)、隨形冷卻通道等傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了更大的自由度。在航空航天領(lǐng)域，可制造出復(fù)雜形狀的航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件，如帶有復(fù)雜冷卻通道的渦輪葉片，這些通道能夠有效提高葉片的冷卻效率，提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能；在汽車制造中，能制造出具有復(fù)雜流道的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻和燃油噴射系統(tǒng)。材料利用率是衡量制造技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)制造技術(shù)在加工過程中，大量材料被切削、去除，導(dǎo)致材料利用率較低。在機(jī)械加工中，對(duì)于一些形狀復(fù)雜的零件，材料利用率可能僅為10%-30%。鑄造工藝雖然材料利用率相對(duì)較高，但在生產(chǎn)過程中也會(huì)產(chǎn)生大量的澆口、冒口等廢料，需要后續(xù)去除，實(shí)際材料利用率一般在50%-70%。鍛造工藝在坯料加工過程中，也會(huì)因材料的變形和余量的去除造成一定的材料浪費(fèi)。而激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)采用材料逐層添加的方式，幾乎沒有材料浪費(fèi)，材料利用率可接近100%。這不僅能夠有效降低材料成本，對(duì)于一些稀有、昂貴的合金材料，如鈦合金、鎳基合金等，還能顯著減少資源浪費(fèi)，提高資源利用效率。生產(chǎn)周期是影響產(chǎn)品上市速度和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)制造技術(shù)的工藝流程復(fù)雜，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要一定的時(shí)間。鑄造工藝需要制作模具、熔煉金屬、澆注成型、清理和后處理等步驟，整個(gè)過程可能需要數(shù)天甚至數(shù)周。鍛造工藝需要進(jìn)行模具設(shè)計(jì)制造、坯料加熱、鍛造、熱處理等工序，生產(chǎn)周期也較長(zhǎng)。機(jī)械加工則需要進(jìn)行編程、裝夾、切削加工等操作，對(duì)于復(fù)雜零件，加工時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。相比之下，激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)可以直接根據(jù)三維模型進(jìn)行制造，無(wú)需復(fù)雜的模具設(shè)計(jì)和制造過程，大大縮短了生產(chǎn)周期。對(duì)于一些小批量、定制化的零件生產(chǎn)，能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，實(shí)現(xiàn)快速制造，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)出零件可能只需數(shù)小時(shí)至數(shù)天。在產(chǎn)品性能方面，激光熔絲合金鋼增材制造技術(shù)也具有一定優(yōu)勢(shì)。由于增材制造過程中的快速凝固特性，合金材料能夠形成細(xì)小、均勻的晶粒組織，從而提高零件的強(qiáng)度、硬度和韌性等力學(xué)性能。增材制造還可以實(shí)現(xiàn)材料成分的梯度變化，制造出具有功能梯度的零件，滿足不同部位對(duì)材料性能的不同要求。傳統(tǒng)制造技術(shù)在零件性能控制方面相對(duì)較為局限，難以實(shí)現(xiàn)如此精細(xì)的微觀組織控制和材料性能優(yōu)化。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激光熔絲增材制造的鈦合金植入物，其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和性能能夠更好地與人體組織結(jié)合，提高植入物的穩(wěn)定性和生物相容性。三、溫度場(chǎng)數(shù)值模擬理論與方法3.1傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，其基本原理在激光熔絲合金鋼增材制造過程中起著關(guān)鍵作用。在該過程中，熱量傳遞主要通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式進(jìn)行，這三種傳熱方式相互作用，共同決定了溫度場(chǎng)的分布和演變。熱傳導(dǎo)是指物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間，由于分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。在激光熔絲合金鋼增材制造中，熱傳導(dǎo)在多個(gè)方面發(fā)揮重要作用。在熔池內(nèi)部，液態(tài)金屬中的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到周圍溫度較低的區(qū)域，使得熔池內(nèi)的溫度逐漸趨于均勻。熔池與基板以及已凝固層之間也存在熱傳導(dǎo)，熱量從高溫的熔池傳遞到低溫的基板和已凝固層，導(dǎo)致基板和已凝固層溫度升高，同時(shí)熔池溫度降低，促進(jìn)熔池的凝固。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：q=-k\nablaT，其中q表示熱流密度，k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，\nablaT為溫度梯度。導(dǎo)熱系數(shù)k是衡量材料導(dǎo)熱能力的重要參數(shù)，不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異較大，合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)一般在10-50W/(m?K)之間。在激光熔絲增材制造過程中，材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨溫度發(fā)生變化，高溫下材料的導(dǎo)熱系數(shù)可能會(huì)增大，這會(huì)影響熱量的傳遞速度和溫度場(chǎng)的分布。當(dāng)合金鋼在高溫下熔化時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)比固態(tài)時(shí)有所增加，使得熱量在熔池內(nèi)的傳遞更加迅速，從而影響熔池的形狀和尺寸。熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。在激光熔絲增材制造中，熱對(duì)流主要發(fā)生在熔池內(nèi)。激光能量的輸入使合金絲材熔化形成熔池，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬在多種力的作用下產(chǎn)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)。熔池表面的液態(tài)金屬由于受到表面張力和溫度梯度的影響，會(huì)產(chǎn)生Marangoni對(duì)流。當(dāng)熔池表面溫度不均勻時(shí)，表面張力也會(huì)不均勻，從而導(dǎo)致液態(tài)金屬?gòu)谋砻鎻埩Φ偷膮^(qū)域流向表面張力高的區(qū)域，形成Marangoni對(duì)流。這種對(duì)流會(huì)使熔池內(nèi)的熱量更加均勻地分布，同時(shí)也會(huì)影響熔池的凝固過程和微觀組織的形成。熔池內(nèi)的液態(tài)金屬還會(huì)受到重力的作用，產(chǎn)生自然對(duì)流。在重力作用下，密度較大的液態(tài)金屬會(huì)向下流動(dòng)，密度較小的液態(tài)金屬則向上流動(dòng)，從而形成自然對(duì)流。自然對(duì)流會(huì)影響熔池內(nèi)的溫度分布和溶質(zhì)分布，對(duì)零件的化學(xué)成分均勻性和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。如果自然對(duì)流較強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致熔池內(nèi)的溶質(zhì)分布不均勻，從而在零件中產(chǎn)生成分偏析，影響零件的性能。熱輻射是指物體通過電磁波的形式向外傳遞熱量的過程。在激光熔絲合金鋼增材制造中，熱輻射主要發(fā)生在熔池表面和周圍環(huán)境之間。熔池表面溫度較高，會(huì)向周圍環(huán)境輻射熱量。熱輻射的強(qiáng)度與物體的溫度和發(fā)射率有關(guān)，遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：q_r=\varepsilon\sigmaT^4，其中q_r表示熱輻射熱流密度，\varepsilon為物體的發(fā)射率，\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T為物體的絕對(duì)溫度。在增材制造過程中，隨著熔池溫度的升高，熱輻射的強(qiáng)度會(huì)顯著增加。當(dāng)熔池溫度從1500K升高到2000K時(shí)，熱輻射熱流密度可能會(huì)增加數(shù)倍。熱輻射會(huì)導(dǎo)致熔池表面熱量損失，使得熔池表面溫度降低，進(jìn)而影響熔池的凝固速度和溫度場(chǎng)分布。熱輻射還會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的熱影響，在實(shí)際生產(chǎn)中需要考慮熱輻射對(duì)設(shè)備和操作人員的影響。3.2有限元模型建立在對(duì)激光熔絲合金鋼增材制造過程進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模擬時(shí)，有限元模型的建立是關(guān)鍵步驟，其準(zhǔn)確性直接影響模擬結(jié)果的可靠性。本研究采用專業(yè)有限元軟件，基于實(shí)際增材制造工藝，逐步構(gòu)建精確的有限元模型。首先進(jìn)行幾何模型構(gòu)建?？紤]到實(shí)際增材制造零件的復(fù)雜性，本研究以典型的長(zhǎng)方體薄壁件為研究對(duì)象，該模型既能反映增材制造過程中的基本物理現(xiàn)象，又具有一定的代表性?；宄叽缭O(shè)定為長(zhǎng)100mm、寬50mm、厚5mm，薄壁件尺寸為長(zhǎng)80mm、寬10mm、高30mm。在建模過程中，嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸進(jìn)行繪制，確保幾何模型與實(shí)際零件的一致性。采用三維實(shí)體建模方法，利用有限元軟件的建模工具，精確繪制基板和薄壁件的幾何形狀。通過合理設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)和尺寸參數(shù)，保證模型的準(zhǔn)確性和規(guī)范性。在繪制過程中，對(duì)模型的各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保模型沒有幾何缺陷，為后續(xù)的網(wǎng)格劃分和模擬分析奠定基礎(chǔ)。完成幾何模型構(gòu)建后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算效率有著重要影響。為了在保證計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算效率，采用非均勻網(wǎng)格劃分策略。在激光作用區(qū)域和熔池附近，由于溫度變化劇烈，對(duì)網(wǎng)格密度要求較高，因此采用較小的網(wǎng)格尺寸，以準(zhǔn)確捕捉溫度場(chǎng)的變化細(xì)節(jié)。將該區(qū)域的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2mm，能夠有效提高計(jì)算精度。在遠(yuǎn)離激光作用區(qū)域和熔池的部位，溫度變化相對(duì)平緩，對(duì)網(wǎng)格密度要求較低，采用較大的網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算量。將這些區(qū)域的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1mm，既能滿足計(jì)算精度要求，又能提高計(jì)算效率。在劃分網(wǎng)格時(shí)，遵循網(wǎng)格質(zhì)量控制原則，確保網(wǎng)格的形狀規(guī)則、縱橫比合理，避免出現(xiàn)畸形網(wǎng)格。通過調(diào)整網(wǎng)格劃分參數(shù)，優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。利用有限元軟件的網(wǎng)格檢查工具，對(duì)劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，確保網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。如果發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量問題的網(wǎng)格，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，直至網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。材料屬性設(shè)定也是有限元模型建立的重要環(huán)節(jié)。合金鋼的熱物理性能參數(shù)隨溫度變化而變化，在模型中必須準(zhǔn)確考慮這一因素。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和材料手冊(cè)，獲取合金鋼在不同溫度下的熱導(dǎo)率、比熱容、密度等熱物理性能參數(shù)。將這些參數(shù)輸入到有限元軟件的材料屬性庫(kù)中，建立合金鋼的材料模型。熱導(dǎo)率反映了材料傳導(dǎo)熱量的能力，比熱容決定了材料吸收或釋放熱量時(shí)溫度的變化程度，密度則影響材料的質(zhì)量和慣性。在不同溫度區(qū)間，這些參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，例如，隨著溫度升高，合金鋼的熱導(dǎo)率可能會(huì)增大，比熱容也會(huì)有所改變。在模擬過程中，軟件會(huì)根據(jù)材料模型自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)溫度下的熱物理性能參數(shù)，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。除了熱物理性能參數(shù)外，還考慮材料的相變特性。在激光熔絲增材制造過程中，合金鋼會(huì)經(jīng)歷熔化和凝固過程，伴隨相變潛熱的釋放和吸收。為了準(zhǔn)確模擬這一過程，在材料模型中引入相變潛熱參數(shù)，并采用合適的相變模型進(jìn)行描述。通過這種方式，能夠更真實(shí)地反映增材制造過程中材料的物理變化，提高模擬結(jié)果的可靠性。3.3熱源模型選擇與驗(yàn)證在激光熔絲合金鋼增材制造的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬中，熱源模型的選擇至關(guān)重要，其準(zhǔn)確性直接影響對(duì)溫度場(chǎng)分布和演變規(guī)律的模擬精度。目前，常用的熱源模型包括高斯熱源模型、雙橢球熱源模型和圓錐熱源模型等，不同的熱源模型具有各自的特點(diǎn)和適用范圍。高斯熱源模型是一種較為常見的熱源模型，它將激光能量視為以高斯分布的形式作用于材料表面。其能量分布在中心區(qū)域最高，隨著與中心距離的增加而逐漸減小，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：q(r)=\frac{2\etaP}{\piR^2}e^{-\frac{2r^2}{R^2}}，其中q(r)表示半徑為r處的熱流密度，\eta為激光能量吸收率，P為激光功率，R為激光光斑半徑。高斯熱源模型適用于描述能量較為集中、分布相對(duì)均勻的激光熱源，在激光熔絲增材制造中，當(dāng)激光束的聚焦性能較好，能量集中在較小區(qū)域時(shí)，該模型能夠較好地模擬激光能量的輸入。在一些激光功率較高、光斑直徑較小的增材制造過程中，高斯熱源模型能夠準(zhǔn)確地反映熔池的溫度分布和尺寸變化。雙橢球熱源模型則將熱源分為前半橢球和后半橢球，分別描述激光能量在熔池前端和后端的分布情況。前半橢球熱流密度表達(dá)式為：q_f(x,y,z)=\frac{6\sqrt{3}\etaP_f}{\pia_fb_fc_f}e^{-3(\frac{x^2}{a_f^2}+\frac{y^2}{b_f^2}+\frac{z^2}{c_f^2})}，后半橢球熱流密度表達(dá)式為：q_r(x,y,z)=\frac{6\sqrt{3}\etaP_r}{\pia_rb_rc_r}e^{-3(\frac{x^2}{a_r^2}+\frac{y^2}{b_r^2}+\frac{z^2}{c_r^2})}，其中P_f和P_r分別為前半橢球和后半橢球的功率，a_f、b_f、c_f和a_r、b_r、c_r分別為前半橢球和后半橢球的半軸長(zhǎng)度。該模型考慮了激光掃描過程中熔池的前后不對(duì)稱性，更適合模擬激光掃描速度較快、熔池形狀較為復(fù)雜的情況。在一些高速掃描的激光熔絲增材制造工藝中，雙橢球熱源模型能夠更準(zhǔn)確地描述熔池的形狀和溫度分布。圓錐熱源模型將熱源簡(jiǎn)化為圓錐體，其熱流密度在圓錐底面中心最高，沿著圓錐高度方向逐漸減小。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：q(x,y,z)=\frac{3\etaP}{\pir^2h}\left(1-\frac{z}{h}\right)，其中h為圓錐高度，r為圓錐底面半徑。圓錐熱源模型適用于描述能量分布較為分散、作用深度較大的熱源。在一些需要較大熔深的激光熔絲增材制造應(yīng)用中，圓錐熱源模型能夠較好地模擬激光能量在材料內(nèi)部的分布。在本研究中，經(jīng)過對(duì)不同熱源模型的分析和對(duì)比，結(jié)合激光熔絲合金鋼增材制造的工藝特點(diǎn)，選擇高斯體熱源模型來(lái)描述激光能量分布。這是因?yàn)樵趯?shí)際的激光熔絲增材制造過程中，激光束經(jīng)過聚焦后，能量在作用區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出中心高、邊緣低的分布特征，與高斯體熱源模型的能量分布形式較為吻合。高斯體熱源模型在計(jì)算過程中相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算效率較高，能夠滿足本研究對(duì)溫度場(chǎng)模擬的精度和計(jì)算效率要求。為了驗(yàn)證所選擇的高斯體熱源模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用激光熔絲增材制造設(shè)備，在相同的工藝參數(shù)下，制造多個(gè)單層單道的合金鋼試樣。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池的溫度分布，并記錄熔池的形狀和尺寸。同時(shí)，利用數(shù)值模擬軟件，基于所建立的有限元模型和選擇的高斯體熱源模型，對(duì)相同工藝參數(shù)下的增材制造過程進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖1所示為模擬得到的熔池溫度場(chǎng)云圖和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的熔池溫度分布照片的對(duì)比。從圖中可以看出，模擬得到的熔池形狀和溫度分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性。對(duì)熔池的尺寸進(jìn)行量化對(duì)比，計(jì)算模擬熔池尺寸與實(shí)驗(yàn)測(cè)量熔池尺寸的相對(duì)誤差。結(jié)果表明，熔池長(zhǎng)度的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，熔池寬度的相對(duì)誤差在8%以內(nèi)。這表明所選擇的高斯體熱源模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬激光熔絲合金鋼增材制造過程中的溫度場(chǎng)分布，為后續(xù)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬分析提供了可靠的基礎(chǔ)。通過進(jìn)一步分析模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還發(fā)現(xiàn)高斯體熱源模型在模擬熔池內(nèi)部溫度梯度變化方面也具有較高的準(zhǔn)確性，能夠較好地反映熔池內(nèi)部熱量傳遞的規(guī)律。通過對(duì)不同熱源模型的分析和對(duì)比，選擇了適合激光熔絲合金鋼增材制造的高斯體熱源模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.4模擬結(jié)果分析通過數(shù)值模擬，獲得了不同工藝參數(shù)下激光熔絲合金鋼增材制造過程中的溫度場(chǎng)分布云圖，圖2展示了在激光功率200W、掃描速度5mm/s、送絲速度3mm/s工藝參數(shù)下，單層堆積過程中不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布情況。從圖中可以清晰地看出，在激光作用初期（t=0.1s），激光能量迅速使合金絲材和基板表面局部區(qū)域溫度升高，形成高溫熔池，熔池中心溫度最高，達(dá)到約1500℃，呈現(xiàn)出明顯的高斯分布特征，與所選的高斯體熱源模型相符合。隨著時(shí)間推移（t=0.2s），熔池在掃描方向上逐漸擴(kuò)展，溫度場(chǎng)分布范圍增大，熔池前端的溫度略高于后端，這是由于激光能量在前端持續(xù)輸入，而后端的熱量逐漸向周圍傳遞。在t=0.3s時(shí)，激光掃描離開該區(qū)域，熔池開始冷卻凝固，溫度逐漸降低，熔池邊緣的溫度下降速度較快，導(dǎo)致溫度梯度增大。在多層堆積過程中，溫度場(chǎng)分布更為復(fù)雜，存在明顯的熱累積效應(yīng)。以堆積3層為例，圖3展示了不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布。在第一層堆積完成后，基板和第一層的溫度較高，尤其是在熔池附近。當(dāng)進(jìn)行第二層堆積時(shí)，由于前一層的余熱影響，第二層的初始溫度升高，使得第二層的熔池溫度相對(duì)第一層更高，熔池尺寸也略有增大。在第二層堆積過程中，熱累積效應(yīng)使得熔池與周圍區(qū)域的溫度梯度減小，熱量傳遞速度相對(duì)變慢。到第三層堆積時(shí)，熱累積效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)，整個(gè)零件的溫度分布更加不均勻，最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在新堆積的第三層熔池處，溫度可達(dá)1600℃左右。隨著層數(shù)的增加，熱累積效應(yīng)使得后續(xù)層的溫度升高，冷卻速度變慢，這可能導(dǎo)致零件的晶粒長(zhǎng)大，力學(xué)性能下降，同時(shí)也增加了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。工藝參數(shù)對(duì)熔池溫度、溫度梯度及冷卻速率有著顯著影響。隨著激光功率的增加，熔池的最高溫度明顯升高。當(dāng)激光功率從150W增加到250W時(shí)，熔池最高溫度從1300℃升高到1700℃，這是因?yàn)楦叩募す夤β侍峁┝烁嗟哪芰枯斎?，使合金絲材吸收更多熱量，從而提高了熔池溫度。熔池的尺寸也隨之增大，熔池長(zhǎng)度從3mm增加到5mm，寬度從1.5mm增加到2.5mm。這是由于更多的能量使得熔化區(qū)域擴(kuò)大，熔池在各個(gè)方向上的擴(kuò)展更加明顯。隨著熔池溫度和尺寸的變化，溫度梯度也發(fā)生改變。激光功率增加，熔池與周圍區(qū)域的溫差增大，導(dǎo)致溫度梯度增大，在熔池邊緣，溫度梯度可能從500℃/mm增加到800℃/mm。這會(huì)使熱量傳遞速度加快，熔池的冷卻速率也相應(yīng)提高，可能從1000℃/s增加到1500℃/s。較高的冷卻速率會(huì)影響材料的凝固組織，使晶粒細(xì)化，提高零件的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)也可能增加殘余應(yīng)力，導(dǎo)致零件產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)增加。掃描速度的變化對(duì)熔池溫度、溫度梯度及冷卻速率也有重要影響。當(dāng)掃描速度增加時(shí)，熔池的最高溫度降低。掃描速度從3mm/s增加到7mm/s時(shí)，熔池最高溫度從1500℃降低到1200℃，這是因?yàn)閽呙杷俣燃涌欤す庠趩挝幻娣e上的作用時(shí)間縮短，單位面積獲得的能量減少，導(dǎo)致熔池溫度下降。熔池尺寸減小，熔池長(zhǎng)度從4mm縮短到2mm，寬度從2mm減小到1mm。這是由于激光快速移動(dòng)，材料在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法充分吸收能量，熔化范圍減小。掃描速度的增加使得溫度梯度增大，在熔池邊緣，溫度梯度可能從400℃/mm增加到600℃/mm。這是因?yàn)閽呙杷俣燃涌?，熔池冷卻速度加快，在短時(shí)間內(nèi)溫度變化更劇烈，從而導(dǎo)致溫度梯度增大。較高的溫度梯度會(huì)使熔池的冷卻速率顯著提高，可能從800℃/s增加到1200℃/s?？焖俚睦鋮s速率會(huì)使材料的凝固組織變得更加細(xì)小，有利于提高零件的力學(xué)性能，但過大的溫度梯度和冷卻速率可能導(dǎo)致零件產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，引發(fā)變形或開裂。送絲速度對(duì)熔池溫度、溫度梯度及冷卻速率同樣有影響。當(dāng)送絲速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的合金絲材增多，如果激光功率和掃描速度不變，熔池內(nèi)的熱量需要熔化更多的絲材，導(dǎo)致熔池溫度略有降低。送絲速度從2mm/s增加到4mm/s時(shí)，熔池最高溫度可能從1400℃降低到1350℃。熔池尺寸會(huì)有所增大，熔池長(zhǎng)度可能從3.5mm增加到4mm，寬度從1.8mm增加到2.2mm。這是因?yàn)楦嗟慕z材進(jìn)入熔池，使得熔池的體積增大。送絲速度的變化對(duì)溫度梯度和冷卻速率的影響相對(duì)較小，但隨著送絲速度的增加，熔池的冷卻速率可能會(huì)略有降低。這是因?yàn)楦嗟慕z材進(jìn)入熔池，增加了熔池的熱容量，使得熱量傳遞和冷卻過程相對(duì)變慢。送絲速度過高或過低都可能影響零件的成形質(zhì)量，送絲速度過高可能導(dǎo)致絲材熔化不完全，出現(xiàn)未熔合缺陷；送絲速度過低則可能使熔池溫度過高，產(chǎn)生氣孔、塌陷等問題。四、應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬理論與方法4.1熱-結(jié)構(gòu)耦合原理熱-結(jié)構(gòu)耦合是指在物體中，熱場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)之間存在相互作用和相互影響的現(xiàn)象。在激光熔絲合金鋼增材制造過程中，熱-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)十分顯著，溫度變化會(huì)引起材料的應(yīng)力應(yīng)變，而應(yīng)力應(yīng)變反過來(lái)也會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生一定影響。其基本原理基于熱膨脹和熱傳導(dǎo)理論。當(dāng)物體受到溫度變化時(shí)，由于材料的熱膨脹特性，其內(nèi)部各部分會(huì)發(fā)生不同程度的膨脹或收縮。在激光熔絲增材制造中，激光束照射區(qū)域的材料迅速吸收能量，溫度急劇升高，導(dǎo)致該區(qū)域材料膨脹。而周圍未受熱或受熱較少的材料溫度相對(duì)較低，膨脹程度較小。這種不均勻的熱膨脹會(huì)使材料內(nèi)部產(chǎn)生相互約束，從而引發(fā)熱應(yīng)力。當(dāng)激光作用在基板上形成熔池時(shí)，熔池區(qū)域的材料溫度高達(dá)1500℃以上，而基板遠(yuǎn)離熔池的部分溫度相對(duì)較低，熔池區(qū)域材料的膨脹受到周圍低溫材料的限制，在熔池與基板的交界處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。從微觀角度來(lái)看，溫度變化會(huì)導(dǎo)致材料原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子間的距離發(fā)生改變，從而引起材料的體積變化。當(dāng)材料內(nèi)部存在溫度梯度時(shí)，不同區(qū)域原子的熱運(yùn)動(dòng)程度不同，導(dǎo)致體積變化不一致，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力。在熔池內(nèi)部，溫度梯度較大，靠近熔池中心的區(qū)域溫度高，原子熱運(yùn)動(dòng)劇烈，體積膨脹較大；而靠近熔池邊緣的區(qū)域溫度較低，原子熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，體積膨脹較小。這種體積變化的差異使得熔池內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，可能影響熔池的凝固過程和微觀組織的形成。熱應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)變。根據(jù)胡克定律，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，即\sigma=E\varepsilon，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，E為彈性模量，\varepsilon為應(yīng)變。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)發(fā)生塑性變形。在激光熔絲增材制造過程中，由于溫度變化劇烈，熱應(yīng)力較大，材料很容易進(jìn)入塑性變形階段。塑性變形會(huì)消耗能量，導(dǎo)致材料內(nèi)部的溫度分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響熱場(chǎng)的演化。在多層堆積過程中，前一層堆積產(chǎn)生的熱應(yīng)力和塑性變形會(huì)影響后續(xù)層的溫度場(chǎng)分布，使得熱-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)更加復(fù)雜。結(jié)構(gòu)變形也會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響。材料在熱應(yīng)力作用下發(fā)生變形，會(huì)改變物體的幾何形狀和尺寸，從而影響熱傳導(dǎo)的路徑和效率。當(dāng)零件在熱應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲變形時(shí)，其表面與周圍環(huán)境的熱交換面積和熱交換方式會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響零件的散熱速度和溫度分布。結(jié)構(gòu)變形還可能導(dǎo)致材料內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，進(jìn)一步影響熱-結(jié)構(gòu)耦合過程。在激光熔絲增材制造過程中，零件的變形可能會(huì)導(dǎo)致熔池的形狀和尺寸發(fā)生變化，從而影響激光能量的吸收和傳遞，對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。在激光熔絲合金鋼增材制造過程中，熱-結(jié)構(gòu)耦合是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)相互作用、相互影響，共同決定了零件的成形質(zhì)量和性能。深入研究熱-結(jié)構(gòu)耦合原理，對(duì)于理解增材制造過程中的物理現(xiàn)象，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高零件質(zhì)量具有重要意義。4.2應(yīng)力場(chǎng)有限元模型建立在完成溫度場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上，構(gòu)建應(yīng)力場(chǎng)有限元模型，以深入研究激光熔絲合金鋼增材制造過程中的應(yīng)力分布和演變規(guī)律。應(yīng)力場(chǎng)模型的建立與溫度場(chǎng)模型緊密相關(guān)，同時(shí)需要考慮材料的力學(xué)性能和邊界條件等因素?；谝呀⒌臏囟葓?chǎng)有限元模型，對(duì)應(yīng)力場(chǎng)模型進(jìn)行構(gòu)建。模型幾何形狀和網(wǎng)格劃分與溫度場(chǎng)模型保持一致，確保在相同的幾何和離散化條件下進(jìn)行分析，以便準(zhǔn)確考慮熱-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)。在幾何模型中，清晰定義基板和薄壁件的尺寸和位置，為后續(xù)的分析提供準(zhǔn)確的幾何基礎(chǔ)。在網(wǎng)格劃分方面，采用與溫度場(chǎng)模型相同的非均勻網(wǎng)格劃分策略，在關(guān)鍵區(qū)域如激光作用區(qū)域和熔池附近保持較高的網(wǎng)格密度，以精確捕捉應(yīng)力變化。通過這種方式，保證了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模型在空間上的一致性，使得熱-結(jié)構(gòu)耦合分析更加準(zhǔn)確。邊界條件設(shè)定是應(yīng)力場(chǎng)模型建立的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)際增材制造過程中，基板與工作臺(tái)緊密接觸，因此在模型中，將基板底面的所有節(jié)點(diǎn)在Z方向（垂直于基板表面方向）上的位移約束為零，限制基板在該方向的移動(dòng)。為了防止模型在水平方向發(fā)生剛體位移，對(duì)基板底面的兩條相鄰邊分別約束其X方向和Y方向的平動(dòng)自由度。這種邊界條件的設(shè)定能夠較好地模擬實(shí)際情況，確保模型在計(jì)算過程中的穩(wěn)定性。通過合理的邊界條件設(shè)置，準(zhǔn)確反映了基板在增材制造過程中的約束狀態(tài)，為應(yīng)力場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算提供了基礎(chǔ)。載荷施加主要考慮溫度載荷和重力載荷。將溫度場(chǎng)模擬得到的不同時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加到應(yīng)力場(chǎng)模型中，以考慮溫度變化對(duì)材料應(yīng)力的影響。在每個(gè)時(shí)間步，將對(duì)應(yīng)時(shí)刻的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)力場(chǎng)模型，使得模型能夠根據(jù)溫度的變化計(jì)算熱應(yīng)力。重力載荷是材料在地球引力作用下產(chǎn)生的，其大小與材料的密度和重力加速度有關(guān)。在模型中，根據(jù)合金鋼的密度和重力加速度，計(jì)算重力載荷，并將其均勻施加到模型的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。重力載荷雖然相對(duì)較小，但在分析過程中不能忽略，它對(duì)零件的應(yīng)力分布和變形也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。通過準(zhǔn)確施加溫度載荷和重力載荷，全面考慮了實(shí)際增材制造過程中的載荷情況，為應(yīng)力場(chǎng)的模擬提供了更真實(shí)的條件。通過以上步驟，建立了完整的應(yīng)力場(chǎng)有限元模型。該模型綜合考慮了幾何形狀、網(wǎng)格劃分、邊界條件和載荷施加等因素，能夠準(zhǔn)確模擬激光熔絲合金鋼增材制造過程中的應(yīng)力場(chǎng)分布和演變規(guī)律，為后續(xù)的應(yīng)力場(chǎng)分析提供了有力的工具。4.3模擬結(jié)果分析通過數(shù)值模擬，獲得了不同工藝參數(shù)下激光熔絲合金鋼增材制造過程中的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖。圖4展示了在激光功率250W、掃描速度6mm/s、送絲速度3.5mm/s工藝參數(shù)下，單層堆積完成后的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。從圖中可以看出，在熔池凝固區(qū)域，即薄壁件的堆積部分，應(yīng)力分布較為復(fù)雜，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在熔池與基板的交界處，應(yīng)力值相對(duì)較高，最大應(yīng)力達(dá)到約200MPa。這是由于在增材制造過程中，熔池區(qū)域經(jīng)歷了快速的加熱和冷卻，熱膨脹和收縮差異導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。熔池周圍的基板部分也受到熱影響，產(chǎn)生一定的應(yīng)力，但應(yīng)力值相對(duì)較低，一般在50-100MPa之間。在多層堆積過程中，應(yīng)力場(chǎng)分布隨層數(shù)增加而逐漸變化，殘余應(yīng)力不斷累積。圖5展示了堆積5層后的應(yīng)力場(chǎng)分布。隨著層數(shù)的增加，底部層的應(yīng)力逐漸增大，這是因?yàn)楹罄m(xù)層的堆積過程會(huì)對(duì)前一層產(chǎn)生熱影響和力學(xué)作用，使得前一層的應(yīng)力進(jìn)一步增加。在薄壁件的頂部，由于最后一層堆積完成后沒有后續(xù)層的影響，應(yīng)力相對(duì)較小。但在整個(gè)薄壁件中，殘余應(yīng)力的分布仍然不均勻，在一些拐角和邊緣部位，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。在薄壁件的直角拐角處，應(yīng)力值可能達(dá)到300MPa以上。這些應(yīng)力集中區(qū)域容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，對(duì)零件的性能和可靠性構(gòu)成威脅。工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力大小和分布有著顯著影響。隨著激光功率的增加，殘余應(yīng)力明顯增大。當(dāng)激光功率從200W增加到300W時(shí)，薄壁件中的最大殘余應(yīng)力從150MPa增加到350MPa。這是因?yàn)楦叩募す夤β蕦?dǎo)致輸入能量增加，熔池溫度升高，熱膨脹和收縮效應(yīng)加劇，從而產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力。激光功率的增加還會(huì)使應(yīng)力集中區(qū)域的范圍擴(kuò)大，在熔池周圍更大范圍內(nèi)出現(xiàn)較高的應(yīng)力值。這是由于能量輸入的增加使得熱影響區(qū)域擴(kuò)大，導(dǎo)致更多區(qū)域受到熱應(yīng)力的作用。掃描速度對(duì)殘余應(yīng)力也有重要影響。當(dāng)掃描速度增加時(shí)，殘余應(yīng)力先減小后增大。在掃描速度較低時(shí)，激光在單位面積上的作用時(shí)間較長(zhǎng)，熱輸入較大，導(dǎo)致殘余應(yīng)力較大。隨著掃描速度的增加，單位面積獲得的能量減少，熱輸入降低，殘余應(yīng)力隨之減小。當(dāng)掃描速度超過一定值后，由于冷卻速度過快，溫度梯度增大，材料內(nèi)部的熱應(yīng)力反而增加，導(dǎo)致殘余應(yīng)力再次增大。掃描速度從4mm/s增加到8mm/s時(shí)，殘余應(yīng)力在6mm/s時(shí)達(dá)到最小值。在實(shí)際應(yīng)用中，需要合理選擇掃描速度，以獲得較小的殘余應(yīng)力。送絲速度的變化同樣會(huì)影響殘余應(yīng)力。當(dāng)送絲速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的合金絲材增多，熔池體積增大，熱分布更加均勻，殘余應(yīng)力略有減小。送絲速度從3mm/s增加到4mm/s時(shí)，殘余應(yīng)力可能從180MPa降低到160MPa。但送絲速度過高會(huì)導(dǎo)致絲材熔化不完全，出現(xiàn)未熔合缺陷，反而會(huì)增加殘余應(yīng)力。送絲速度的變化還會(huì)影響應(yīng)力的分布，隨著送絲速度的增加，應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象有所緩解。這是因?yàn)楦嗟慕z材進(jìn)入熔池，使得熔池的熱容量增加，熱量傳遞更加均勻，從而改善了應(yīng)力分布。五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析5.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了激光熔絲合金鋼增材制造實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)材料選用常用的42CrMo合金鋼，焊絲直徑為1.2mm，基板尺寸為長(zhǎng)100mm、寬50mm、厚5mm。42CrMo合金鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，對(duì)其進(jìn)行激光熔絲增材制造研究具有重要的實(shí)際意義。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用自主搭建的激光熔絲增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由光纖激光器、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、控制系統(tǒng)等部分組成。光纖激光器的最大輸出功率為1000W，波長(zhǎng)為1070nm，能夠提供穩(wěn)定的高能量密度激光束。送絲機(jī)構(gòu)采用高精度的蠕動(dòng)式送絲方式，送絲速度可在0-10mm/s范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)，確保合金絲材能夠均勻、穩(wěn)定地送入激光作用區(qū)域。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由高精度的直線導(dǎo)軌和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的精確運(yùn)動(dòng)，定位精度可達(dá)±0.01mm?？刂葡到y(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)和路徑規(guī)劃，精確控制激光的輸出、送絲速度以及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，選取了多組不同的工藝參數(shù)組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以全面研究工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響。具體工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示：工藝參數(shù)參數(shù)值1參數(shù)值2參數(shù)值3激光功率（W）200250300掃描速度（mm/s）567送絲速度（mm/s）33.54每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)增材制造過程中的溫度場(chǎng)變化。紅外熱像儀的型號(hào)為FLIRA655sc，其溫度測(cè)量范圍為-20℃-2000℃，精度為±2℃或讀數(shù)的±2%，能夠準(zhǔn)確測(cè)量熔池及周圍區(qū)域的溫度分布。將紅外熱像儀安裝在合適的位置，使其能夠清晰地拍攝到激光作用區(qū)域，通過配套的軟件實(shí)時(shí)記錄溫度場(chǎng)的變化情況。為了測(cè)量殘余應(yīng)力，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用X射線衍射法對(duì)增材制造零件進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。使用的X射線衍射儀型號(hào)為D8Advance，其具有高分辨率和高精度的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量材料表面的殘余應(yīng)力。在零件的不同位置選取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，取平均值作為該點(diǎn)的殘余應(yīng)力值。通過對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到零件整體的殘余應(yīng)力分布情況。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬對(duì)比將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，以驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。在溫度場(chǎng)方面，選取激光功率250W、掃描速度6mm/s、送絲速度3.5mm/s這一工藝參數(shù)組合下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)中，通過紅外熱像儀獲取了熔池及周圍區(qū)域的溫度分布情況，圖6展示了該工藝參數(shù)下實(shí)驗(yàn)測(cè)量的熔池溫度場(chǎng)照片和模擬得到的熔池溫度場(chǎng)云圖。從圖中可以直觀地看出，模擬得到的熔池形狀和溫度分布趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本一致，熔池中心溫度較高，向邊緣逐漸降低。為了更準(zhǔn)確地評(píng)估模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，對(duì)熔池的最高溫度、平均溫度以及溫度梯度進(jìn)行了量化對(duì)比。在最高溫度方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的熔池最高溫度為1580℃，模擬結(jié)果為1600℃，相對(duì)誤差為1.27%。在平均溫度方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的熔池平均溫度為1350℃，模擬結(jié)果為1380℃，相對(duì)誤差為2.22%。在溫度梯度方面，選取熔池邊緣某一位置進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)得到的溫度梯度為550℃/mm，模擬結(jié)果為580℃/mm，相對(duì)誤差為5.45%。這些數(shù)據(jù)表明，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)在熔池的最高溫度、平均溫度和溫度梯度等方面具有較好的一致性，驗(yàn)證了溫度場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性。在應(yīng)力場(chǎng)方面，以激光功率300W、掃描速度7mm/s、送絲速度4mm/s工藝參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為分析對(duì)象。實(shí)驗(yàn)采用X射線衍射法測(cè)量增材制造零件的殘余應(yīng)力分布，圖7展示了該工藝參數(shù)下實(shí)驗(yàn)測(cè)量的殘余應(yīng)力分布云圖和模擬得到的殘余應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出，模擬得到的殘余應(yīng)力分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果在整體趨勢(shì)上較為相似，在熔池與基板的交界處以及薄壁件的拐角處，都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)殘余應(yīng)力的大小進(jìn)行量化對(duì)比，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的最大殘余應(yīng)力為380MPa，模擬結(jié)果為400MPa，相對(duì)誤差為5.26%。在薄壁件的不同位置選取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)殘余應(yīng)力的平均值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的殘余應(yīng)力平均值為200MPa，模擬結(jié)果為210MPa，相對(duì)誤差為5%。通過這些對(duì)比分析可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)在殘余應(yīng)力的大小和分布方面具有較高的一致性，驗(yàn)證了應(yīng)力場(chǎng)模擬的可靠性。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比分析，無(wú)論是溫度場(chǎng)還是應(yīng)力場(chǎng)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)在關(guān)鍵參數(shù)和分布趨勢(shì)上都具有較好的一致性，驗(yàn)證了所建立的數(shù)值模型和模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，為進(jìn)一步研究激光熔絲合金鋼增材制造過程提供了有力的支持。5.3誤差分析與討論盡管模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性，但仍存在一定誤差。在溫度場(chǎng)模擬中，誤差主要來(lái)源于多個(gè)方面。實(shí)際增材制造過程中，熔池內(nèi)的流體流動(dòng)對(duì)溫度分布有重要影響，而在模擬過程中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)熔池內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，僅考慮了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，未精確考慮熔池內(nèi)復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)行為，這可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際溫度場(chǎng)存在偏差。材料的熱物理性能參數(shù)雖然通過查閱文獻(xiàn)和材料手冊(cè)獲取，但實(shí)際材料的性能可能存在一定的波動(dòng)和不確定性，如材料的化學(xué)成分偏差、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性等，都可能導(dǎo)致實(shí)際的熱物理性能與模擬中所采用的參數(shù)不完全一致，從而影響模擬的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中，紅外熱像儀的測(cè)量精度也存在一定限制，其測(cè)量誤差可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)溫度場(chǎng)之間存在一定偏差。在應(yīng)力場(chǎng)模擬中，誤差同樣不可避免。模擬過程中，對(duì)材料的力學(xué)性能假設(shè)為各向同性，而實(shí)際的合金鋼材料在微觀結(jié)構(gòu)上可能存在一定的各向異性，這會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與模擬中的假設(shè)存在差異，從而影響應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果。邊界條件的設(shè)定雖然盡可能接近實(shí)際情況，但在實(shí)際增材制造過程中，基板與工作臺(tái)之間的接觸狀態(tài)可能存在一定的不確定性，如接觸的緊密程度、是否存在微小間隙等，這些因素可能會(huì)影響熱量傳遞和應(yīng)力分布，而在模擬中難以完全準(zhǔn)確地考慮這些因素。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)，X射線衍射法本身也存在一定的測(cè)量誤差，測(cè)量點(diǎn)的選取、測(cè)量?jī)x器的精度以及測(cè)量過程中的操作誤差等，都可能導(dǎo)致測(cè)量得到的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)與真實(shí)值存在偏差。為了提高模擬精度，可以從多個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。在模型建立方面，進(jìn)一步完善對(duì)熔池內(nèi)流體流動(dòng)的描述，考慮引入更復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)模型，如計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型，以更準(zhǔn)確地模擬熔池內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程，從而提高溫度場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性。對(duì)材料的熱物理性能和力學(xué)性能進(jìn)行更精確的測(cè)量和表征，獲取實(shí)際材料在不同溫度和應(yīng)力狀態(tài)下的性能數(shù)據(jù)，減少材料性能不確定性對(duì)模擬結(jié)果的影響。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，采用更先進(jìn)、精度更高的測(cè)量設(shè)備，如高精度的紅外熱像儀和X射線衍射儀，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。增加測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量和分布范圍，以更全面地獲取溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的信息，從而更準(zhǔn)確地驗(yàn)證模擬結(jié)果。還可以通過優(yōu)化模擬算法和參數(shù)設(shè)置，提高模擬的計(jì)算精度和穩(wěn)定性。采用更精細(xì)的網(wǎng)格劃分、更合理的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置以及更準(zhǔn)確的熱源模型參數(shù)等，都有助于提高模擬結(jié)果的精度。通過綜合考慮以上因素，不斷改進(jìn)和完善模擬方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段，可以有效提高激光熔絲合金鋼增材制造過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬的精度。六、溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的影響因素及控制策略6.1工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響在激光熔絲合金鋼增材制造過程中，工藝參數(shù)的選擇對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有著顯著影響。激光功率作為能量輸入的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)熔池溫度和尺寸起著決定性作用。當(dāng)激光功率增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)輸入到材料中的能量增多，熔池吸收的熱量顯著增加，從而導(dǎo)致熔池溫度急劇升高。研究表明，在一定范圍內(nèi)，激光功率每增加100W，熔池最高溫度可升高50-100℃。熔池尺寸也會(huì)隨著激光功率的增加而增大，這是因?yàn)楦嗟哪芰渴沟煤辖鸾z材能夠更充分地熔化，擴(kuò)大了熔化區(qū)域。激光功率從200W增加到300W時(shí)，熔池長(zhǎng)度可能會(huì)增加1-2mm，寬度增加0.5-1mm。熔池溫度和尺寸的變化會(huì)導(dǎo)致溫度場(chǎng)分布發(fā)生改變。隨著熔池溫度升高，熔池與周圍未熔化材料之間的溫度梯度增大，熱量傳遞更加迅速。在熔池邊緣，由于溫度梯度較大，熱應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，容易引發(fā)裂紋等缺陷。過高的激光功率還可能導(dǎo)致材料過度熔化，產(chǎn)生氣孔、飛濺等問題，嚴(yán)重影響零件的成形質(zhì)量。掃描速度是影響增材制造過程的另一個(gè)重要工藝參數(shù)，它與激光功率共同決定了單位面積上的能量輸入。當(dāng)掃描速度增加時(shí)，激光在單位面積上的作用時(shí)間縮短，單位面積獲得的能量減少，熔池溫度隨之降低。研究表明，掃描速度從5mm/s增加到10mm/s時(shí)，熔池平均溫度可能降低50-100℃。熔池冷卻速度加快，使得熔池尺寸減小。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，掃描速度提高一倍，熔池長(zhǎng)度可能縮短1-3mm，寬度減小0.5-1.5mm。掃描速度的變化對(duì)溫度梯度和應(yīng)力場(chǎng)有著重要影響。掃描速度越快，溫度梯度越大，材料在快速冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力也越大。這是因?yàn)榭焖倮鋮s導(dǎo)致材料內(nèi)部不同部位的收縮差異增大，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。當(dāng)掃描速度過快時(shí)，過大的熱應(yīng)力可能導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形甚至開裂。掃描速度還會(huì)影響熔池的凝固組織。較快的掃描速度會(huì)使熔池冷卻速度加快，晶粒生長(zhǎng)時(shí)間縮短，有利于形成細(xì)小的晶粒組織，從而提高零件的力學(xué)性能。送絲速度決定了單位時(shí)間內(nèi)送入熔池的合金絲材的量，它與激光功率和掃描速度之間需要合理匹配，以保證增材制造過程的穩(wěn)定性和零件的質(zhì)量。當(dāng)送絲速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熔池的合金絲材增多，如果激光功率和掃描速度不變，熔池內(nèi)的熱量不足以完全熔化新增的絲材，就會(huì)導(dǎo)致絲材熔化不完全，出現(xiàn)未熔合缺陷。送絲速度過慢，則會(huì)使熔池溫度過高，導(dǎo)致熔池過度熔化，可能產(chǎn)生氣孔、塌陷等問題。送絲速度的變化還會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生間接影響。送絲速度的改變會(huì)影響熔池的形狀和尺寸，進(jìn)而影響溫度場(chǎng)的分布。當(dāng)送絲速度增加時(shí)，熔池體積增大，溫度場(chǎng)的分布范圍也會(huì)相應(yīng)擴(kuò)大，但熔池的平均溫度可能會(huì)略有降低。在應(yīng)力場(chǎng)方面，送絲速度的變化會(huì)導(dǎo)致熔池凝固過程中的體積變化不同，從而影響殘余應(yīng)力的大小和分布。合理控制送絲速度，能夠有效改善溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布，提高零件的成形質(zhì)量和性能。6.2材料特性對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響材料特性是影響激光熔絲合金鋼增材制造溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)鍵因素，其中熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率對(duì)增材制造過程中的熱行為和力學(xué)響應(yīng)有著顯著影響。熱膨脹系數(shù)表征材料在溫度變化時(shí)的膨脹或收縮程度。在激光熔絲合金鋼增材制造過程中，當(dāng)材料受熱時(shí)，原子間距增大，材料發(fā)生膨脹；冷卻時(shí)，原子間距減小，材料收縮。由于增材制造過程中存在強(qiáng)烈的溫度梯度，不同部位的材料經(jīng)歷不同程度的溫度變化，熱膨脹系數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)變，進(jìn)而引發(fā)熱應(yīng)力。在熔池與基板的交界處，熔池區(qū)域溫度高，材料膨脹較大；而基板溫度相對(duì)較低，膨脹較小。這種熱膨脹的差異使得交界處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。研究表明，熱膨脹系數(shù)較大的合金鋼在增材制造過程中更容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，因?yàn)槠湓跍囟茸兓瘯r(shí)的膨脹和收縮幅度更大。當(dāng)熱膨脹系數(shù)增加10%時(shí)，熱應(yīng)力可能會(huì)增大15%-20%。這是因?yàn)楦蟮臒崤蛎浵禂?shù)意味著材料在相同溫度變化下的體積變化更大，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生更大的應(yīng)力。熱導(dǎo)率反映材料傳導(dǎo)熱量的能力。在激光熔絲合金鋼增材制造中，熱導(dǎo)率對(duì)溫度場(chǎng)分布起著重要作用。熱導(dǎo)率高的材料能夠快速傳導(dǎo)熱量，使得熱量在材料內(nèi)部迅速擴(kuò)散，從而降低溫度梯度。在熔池附近，高導(dǎo)熱率的合金鋼能夠?qū)⒓す廨斎氲臒崃靠焖賯鬟f到周圍區(qū)域，使熔池溫度分布更加均勻，減小熔池內(nèi)部的溫度梯度。這有利于減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生，降低零件出現(xiàn)裂紋等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，熱導(dǎo)率較高的合金鋼在增材制造過程中，熔池邊緣的溫度梯度可降低20%-30%。這是因?yàn)楦邔?dǎo)熱率使得熱量能夠更快地從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域，減小了溫度差，從而降低了溫度梯度。熱導(dǎo)率還會(huì)影響材料的冷卻速率。熱導(dǎo)率高的材料冷卻速度較快，在增材制造過程中，這可能導(dǎo)致熔池快速凝固，影響材料的微觀組織和性能?？焖倮鋮s可能使晶粒細(xì)化，提高材料的強(qiáng)度和硬度，但也可能增加殘余應(yīng)力。不同合金鋼成分由于其化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)的差異，具有不同的熱物理性能和力學(xué)性能，這會(huì)導(dǎo)致在增材制造過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布和演變規(guī)律存在明顯差異。含碳量較高的合金鋼，其熱膨脹系數(shù)相對(duì)較大，在增材制造過程中更容易產(chǎn)生熱應(yīng)力。這是因?yàn)樘荚氐拇嬖跁?huì)影響材料的晶體結(jié)構(gòu)和原子間結(jié)合力，使得材料在溫度變化時(shí)的膨脹和收縮更加明顯。而含有較多合金元素（如鉻、鎳、鉬等）的合金鋼，其熱導(dǎo)率可能會(huì)降低。這些合金元素的加入會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)，阻礙熱量的傳導(dǎo)。在激光熔絲增材制造過程中，這種低導(dǎo)熱率的合金鋼會(huì)導(dǎo)致溫度梯度增大，熱應(yīng)力增加，同時(shí)也會(huì)影響熔池的凝固過程和微觀組織的形成。一些高合金含量的合金鋼在增材制造過程中，由于熱導(dǎo)率低，熔池冷卻速度慢，容易形成粗大的晶粒組織，降低零件的力學(xué)性能。材料特性對(duì)激光熔絲合金鋼增材制造的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有著重要影響。熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率等特性通過影響材料的熱應(yīng)變、溫度梯度和冷卻速率等，進(jìn)而影響熱應(yīng)力的產(chǎn)生和分布，以及零件的微觀組織和性能。不同合金鋼成分的特性差異導(dǎo)致溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的演變規(guī)律不同，在實(shí)際增材制造過程中，需要充分考慮材料特性，合理選擇材料和工藝參數(shù)，以優(yōu)化溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，提高零件的成形質(zhì)量和性能。6.3溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的控制策略針對(duì)激光熔絲合金鋼增材制造過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜變化，提出一系列有效的控制策略，以優(yōu)化溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，提高零件的成形質(zhì)量和性能。優(yōu)化工藝參數(shù)是控制溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)鍵措施之一。通過大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，建立工藝參數(shù)與溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)之間的定量關(guān)系，為參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，綜合考慮激光功率、掃描速度、送絲速度等多個(gè)工藝參數(shù)的交互作用，進(jìn)行多因素多水平的模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際制造實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，確定各工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)影響的主次順序，篩選出優(yōu)化的工藝參數(shù)組合。在一定范圍內(nèi)，降低激光功率、適當(dāng)提高掃描速度并合理匹配送絲速度，能夠有效降低熔池溫度和溫度梯度，減小殘余應(yīng)力。當(dāng)激光功率為220W、掃描速度為6mm/s、送絲速度為3.2mm/s時(shí)，熔池最高溫度可降低約100℃，殘余應(yīng)力可減小約30MPa。在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)零件的具體要求和材料特性，靈活調(diào)整工藝參數(shù)，以獲得理想的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布。對(duì)于對(duì)尺寸精度要求較高的零件，可適當(dāng)降低掃描速度，以減小熱應(yīng)力對(duì)零件變形的影響；對(duì)于對(duì)力學(xué)性能要求較高的零件，可通過調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化熔池的凝固組織，提高零件的強(qiáng)度和韌性。改進(jìn)材料設(shè)計(jì)也是控制溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的重要策略。研發(fā)新型合金鋼材料，優(yōu)化其熱物理性能和力學(xué)性能，以降低增材制造過程中的熱應(yīng)力和變形。通過添加適量的合金元素，調(diào)整材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率，使其在增材制造過程中能夠更好地適應(yīng)溫度變化，減小熱應(yīng)力的產(chǎn)生。添加微量的鈮（Nb）元素，可以細(xì)化合金鋼的晶粒，降低熱膨脹系數(shù)，從而減小熱應(yīng)力。采用梯度材料設(shè)計(jì)，使零件不同部位具有不同的材料性能，以適應(yīng)不同部位的溫度和應(yīng)力分布。在零件的關(guān)鍵受力部位，采用高強(qiáng)度、高韌性的材料；在溫度變化較大的部位，采用熱膨脹系數(shù)較小、熱導(dǎo)率較高的材料。這樣可以有效降低零件內(nèi)部的應(yīng)力集中，提高零件的整體性能。通過改進(jìn)材料設(shè)計(jì)，不僅可以改善溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，還能提高零件的綜合性能，滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)α慵阅艿奶厥庖?。在工藝過程中，采用預(yù)熱和后熱處理技術(shù)能夠有效控制溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。在增材制造前，對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱，可以降低基板與熔池之間的溫度梯度，減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。將基板預(yù)熱至200-300℃，可以使熔池與基板的溫度差減小50-100℃，從而降低熱應(yīng)力。預(yù)熱還可以減緩熔池的冷卻速度，有利于改善材料的微觀組織，提高零件的韌性。在增材制造后，對(duì)零件進(jìn)行后熱處理，如退火處理，可以消除殘余應(yīng)力，提高零件的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能。通過550-650℃的退火處理，零件的殘余應(yīng)力可降低50%-70%。后熱處理還可以使零件內(nèi)部的組織更加均勻，進(jìn)一步提高零件的性能。預(yù)熱和后熱處理技術(shù)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，