[发明专利]一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法

说明书

本发明公开了一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，步骤一、建立空间粉末床三维几何模型；将粉末模型导入热流体模型中，构建粉末尺度的热流体模型，设置计算域的初始和边界条件，进行网格划分；构建粉末床熔化过程三维模型控制方程，并根据控制方程和输入参数模拟出熔池；步骤二、针对每一时间步，依据粉体与基材的固相线温度和网格温度，提取熔池三维轮廓数据，包括熔池深度、宽度和长度；步骤三、根据熔池三维轮廓数据获得最终扫描间距，依据控制方程、步骤一的输入参数和最终扫描间距，模拟最终熔池。本发明可以针对粉末床熔化实验研究耗时长、成本高的难点，评估解决方案的可靠性，降低研发成本，优化成形参数。

技术领域

本发明属于激光增材制造领域，涉及一种孔隙控制方法，尤其涉及一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法。

背景技术

粉末床熔化成形作为3D打印技术的分支，其采用预置粉末床的方式，利用高功率激光束直接熔化全部金属粉末而不需要粘接剂，具有制造快速、成形件致密度高、制造精度高、可成形任意复杂形状的零件等优势。尽管此技术拥有很多独特的优势，且随着激光熔化技术的飞速发展，该成形工艺已经开始商业化推进，然而现阶段所制造的部件中仍会存在一定的问题，如变形、开裂、孔隙等结构缺陷。在粉末床熔融过程中，熔池内部存在着复杂的物理化学现象。对流、传导、蒸发、辐射的热传递影响加上众多界面力共同作用，其中主要包括马兰戈尼力，反冲压力，表面张力以及阻尼力。从而导致熔池内部流动复杂。并且其每一时刻的状态会对微观结构演变，成形质量有着重要影响。所以，对熔池的状态进行监测是一种控制粉末床熔融成形加工质量的必要手段。另一方面，成形件的结构缺陷对部件的机械性能有着不利影响。目前最广泛使用的是实验试错的方式来寻找到合适的工艺参数。但这种方式成本很高且周期较长。这对于加速激光粉末床熔融增材制造的飞速发展是不利的。

发明内容

本发明提供一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，以克服现有技术的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，步骤一、建立空间粉末床三维几何模型；将粉末模型导入热流体模型中，构建粉末尺度的热流体模型，设置计算域的初始和边界条件，进行网格划分；构建粉末床熔化过程三维模型控制方程，并根据控制方程和输入参数模拟出熔池；步骤二、针对每一时间步，依据粉体与基材的固相线温度和网格温度，提取熔池三维轮廓数据，包括熔池深度、宽度和长度；步骤三、根据熔池三维轮廓数据获得最终扫描间距，依据控制方程、步骤一的输入参数和最终扫描间距，模拟最终熔池。

其中，步骤一的具体方法为：由实验测量结果获取加工所用金属粉末粒径分布。利用离散元算法计算空间离散粒子的运动情况，最后获得粒子处于稳定状态时在平面上的坐标和尺寸信息，从而建立空间粉末床三维几何模型。

然后，所述模型每层计算域划分为基材与粉体所在的固体域和气体域，气体域粗网格划分，粉体和基材区域精细网格划分，采用高斯分布激光跟踪热源，定义粉体与基材的物性参数。

然后，确定具有实时界面追踪的粉末床熔化热流耦合数值计算包括的控制方程：

连续性方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

其中ρ为密度，为流速，μ是动态粘度，p是压力，为重力加速度，为熔融金属流动作用力，分别为马兰戈尼力，蒸汽反冲压力，表面张力和阻尼力。C_p为比热容，k为导热率，T为温度，Q_h和Q_l分别为热损失和激光能量输入。S为能量方程上源项。

然后，将所述方程进行有限体积离散，求解获得计算域速度场数值。进而得到熔池内部熔融金属的流动速度值。