Ti-6Al-4V合金粉末激光熔化过程中热行为的参数分析

在当今材料科学和制造技术领域，激光熔化作为一种先进的制造技术，在生产具有复杂几何形状的高精度金属零件方面显示出巨大潜力。本文针对Ti-6Al-4V合金粉末的激光熔化过程进行研究，重点分析了激光功率和扫描速度对热行为的影响。Ti-6Al-4V合金因其高强度、高温度阻力、良好的韧性和耐腐蚀性，在航空航天、汽车、生物医学等多个领域得到了广泛的应用。 激光熔化是一种激光束直接与金属粉末相互作用的过程，通常采用高能量密度的激光束在指定区域内快速熔化金属粉末颗粒，形成熔池，并随之凝固，从而构建出层层叠加的零件结构。在此过程中，激光的功率和扫描速度是两个关键的工艺参数，它们直接影响到熔池的温度、冷却速率、液相存在时间以及熔池的尺寸等重要热行为特性。 研究中采用了有限元方法（Finite Element Method, FEM）来模拟Ti-6Al-4V粉末激光熔化的温度场。通过模拟发现，激光功率的增加会提高熔池的冷却速率，从88.7°C/s提升到103.3°C/s，当激光功率从3000W提升至3500W时。相对地，当激光移动速度从3mm/s增加到7mm/s时，冷却速率则会下降，从95.8°C/s降至74.3°C/s。研究还发现，选择较低的激光功率（3250W）和较高的激光移动速度（7mm/s）时，会因温度偏低（1408°C）和液相存在时间短，导致熔池润湿性差和零件内部出现微孔隙。当激光功率增至3500W时，熔池深度可以从1.7mm增加到4mm；而当激光移动速度从3mm/s增加到7mm/s时，熔池深度则会从4.1mm降低至1.9mm。特定条件下，如激光功率为3500W且扫描速度为5mm/s时，能够成功获得宽度为6.5mm，深度为4mm的熔池。 同时，本研究还通过与仿真过程相同的工艺参数进行了激光熔覆Ti-6Al-4V合金的实验，对实验得到的样品微观结构进行研究，并证明了仿真模型的有效性。关键词包括激光熔化、增材制造技术、数值模拟和热行为。 Ti-6Al-4V合金因其α和β相组成的良好强度、塑性、韧性、耐腐蚀性和兼容性，在航空航天、汽车和生物医学领域得到广泛应用。由于其复杂形状和不规则结构，使用传统制造过程制造或修复某些部件往往是困难的。激光熔化技术通过逐层熔化和凝固金属粉末，可以在保持材料特性的同时，制造出复杂且接近最终形状的部件，这大大减少了后续加工和材料浪费。 本研究的发现对于优化激光熔化的工艺参数，控制熔池的热行为，以及预测和改善制造零件的微观结构和最终质量具有重要的科学和工程意义。通过精确控制激光功率和扫描速度等参数，可以提高生产效率，降低成本，并在增材制造领域推动技术进步。随着增材制造技术的日益成熟，激光熔化作为其中的关键技术之一，其在精密制造中的应用前景将更加广阔。