文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号123256
激光脉冲下金属颗粒温度场的数值模拟
李凌胡锐梁小龙杨茉
(上海理工大学能源与动力工程学院上海 200093)
(Tel:********** Email:******@usst.)
摘要:论文主要对金属颗粒激光烧结过程中颗粒内部温度场的分布、变化情况进行了数值模拟研究。当激光照射到金属颗粒上后,颗粒表面熔融在一起,其内部未熔化部分通过表面熔融液体层的再凝固而烧结在一起,激光与粉末材料相互作用过程中温度场的分布直接影响烧结成形机制, 进而影响烧结质量。论文采用双温度模型研究了在激光照射作用下颗粒发生快速熔化相变过程中颗粒内部温度场的分布以及随时间的变化情况,并讨论了激光强度对温度场分布的影响。
关键词:激光烧结;温度场;双温度模型;数值模拟
0 前言
选择性激光烧结(SLS)是一种通过激光束照射金属颗粒以实现逐层烧结的功能元件制造技术。激光照射到金属颗粒上后,颗粒表面熔融在一起,其内部未熔化部分通过表面熔融液体层的再凝固而烧结在一起,从而形成具有特殊功能的元件[基金项目:国家自然科学基金(51006071),上海市自然科学基金(09ZR1422400)
]。在烧结过程中激光束是以一定的速度对金属粉末进行扫描,当激光脉冲照射时金属颗粒表面吸热会发生熔化,而后当激光脉冲离开时又会冷却而再凝固,这是一个快速的相变过程。当激光的扫描速度和激光的强度配合不当就可能导致不熔化或金属颗粒完全融化,如此一来会严重影响烧结质量甚至使烧结过程无法进行下去。此外,由于金属的潜热非常大,所以快速的熔化和再凝固现象会对粉末床及颗粒温度、制件的残余应力、局部的烧结速度以及最终烧结件的质量也产生很大的影响。因此研究激光烧结成型过程中的传热机理及温度分布对于推进这种技术在特殊材料制造业中的应用非常有价值。
SLS 技术起源于美国德克萨斯大学澳斯汀分校(University of Texas at Austin)。由于SLS 工艺可以直接制造金属零件,近年来受到各国高校的普遍重视。Kruth[2]对SLS 的烧结机理进行了深入研究,并对SLS 工艺进行了分类,对认识烧结理论起了重要作用。Nikolay等[3-5]主要对单种金属粉末的烧结过程进行了细致研究,提出了烧结过程中的“球化效应”是影响烧结质量和精度的最关键问题,并对球化效应的产生原理和控制方法进行了研究。在国内,激光烧结技术的研究工作起步于20 世纪90 年代,主要以跟踪研究为主,并取得了一定的成绩。华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室黄树槐教授及其课题组成员长期对SLS 设备、材料、工艺以及烧结理论等方面进行研究[6-8]。赵保军对SLS过程致密度、聚苯乙烯粉末烧结温度场进行了仿真分析[9]。沈以赴[10-11]对多组分铜基金属粉末的SLS工艺进行了研究,分析了烧结参数对烧结致密度的影响
。白培康和王文峰[12]对聚合物涂层钼粉末进行选择性激光烧结的机制进行了研究,发现烧结机制与温度的分布有很大的关系。在激光烧结过程中,能量的传递包括了两个过程[13],首先金属表面的自由电子吸收了激光束能量变得非常活跃,因而会向着金属内部更深的地方运动,当自由电子在运动的过程中和声子发生耦合作用的时候又会将能量传递给晶格。论文将采用双温度模型研