引用論文

Yuling Niu, Li Zhang, Jianhong Wang, Jinfang Zhang, Xiaohui Yang, Bin Liu, Yuankui Cao, Hong Xu, Ruibin Duan, Xiaofeng Li. Cracking mechanism of Al-Cu-Mg-Si alloy during laser powder bed fusion by numerical simulation. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 3, 2025, 200213.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200213.

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1研究背景及目的

Al-Cu系合金作為最早應(yīng)用于工業(yè)的鑄造鋁合金，憑借其卓越的強(qiáng)度和耐熱性脫穎而出，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。然而，Al-Cu合金在LPBF成形過(guò)程中，粉末床的快速熔化和凝固導(dǎo)致溫度場(chǎng)變化劇烈，產(chǎn)生較大的溫度梯度；由此產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致成形件出現(xiàn)變形、翹曲、開裂等缺陷，嚴(yán)重影響合金的成形質(zhì)量和力學(xué)性能。本文將采用數(shù)值模擬的方法分析LPBF成形Al-Cu合金過(guò)程中熱應(yīng)力演變規(guī)律以及殘余應(yīng)力分布情況，從而為高性能、無(wú)裂紋Al-Cu合金的成形提供理論指導(dǎo)。

2論文亮點(diǎn)

（1）針對(duì)LPBF實(shí)際工況，建立了一種考慮粉末-固相轉(zhuǎn)變、材料非線性特性、熔化潛熱、熔池對(duì)流等因素的三維熱-力耦合有限元模型；

（2）采用間接耦合的方式分析了LPBF成形過(guò)程中瞬態(tài)應(yīng)力的分布及演化規(guī)律；

（3）通過(guò)組織觀察以及殘余應(yīng)力測(cè)試，驗(yàn)證了三維熱-力耦合分析模型的可靠性。

3試驗(yàn)方法

本文借助ANSYS WORKBENCH 數(shù)值仿真平臺(tái)建立了一種多層多軌三維熱-力耦合有限元模型，并使用生死單元技術(shù)模擬分析了LPBF成形過(guò)程中Al-Cu-Mg-Si合金的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律。

4結(jié)果

圖1a為在210W、350mm/s下進(jìn)行單層激光掃描時(shí)熔化層各軌道中心溫度的熱歷史。由圖可知，當(dāng)激光束到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，溫度急劇上升到熔點(diǎn)以上，然后迅速回落，形成一個(gè)非常尖銳的峰值形狀。隨著加工過(guò)程的進(jìn)行，前一掃描軌道對(duì)后續(xù)未加工區(qū)域的預(yù)熱作用逐漸穩(wěn)定，溫度變化幅度也趨于穩(wěn)定。各軌道中心的溫度變化率如圖1b所示，隨著軌道數(shù)量的增加，最大加熱速率先增大后減小，最高達(dá)到10.27×10^6℃；最大冷卻速率逐漸減小，最低為8.63×10^6℃，但差別不大。

Fig. 1 Transient thermal behavior of the Al-Cu-Mg-Si processed at P=210 W and V=350 mm/s: (a) Temperature history of P1–P5 and (b) temperature change rates of P1–P5.

圖2和圖3分別為激光功率和掃描速率對(duì)LPBF成形Al-Cu合金冷卻后等效應(yīng)力分布的影響。由圖可知，在加工過(guò)程結(jié)束后，已成形區(qū)域開始發(fā)生收縮變形，其收縮受到周圍低溫區(qū)材料的限制，使成形區(qū)域區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。不同成形條件下打印層的殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致，即打印層上表面的殘余拉應(yīng)力較大，而打印層邊緣的殘余拉應(yīng)力較小。但是對(duì)于基板來(lái)說(shuō)，除了與打印層界面接觸的位置殘余應(yīng)力較大外，整體殘余應(yīng)力較小。當(dāng)此處的殘余應(yīng)力一旦超過(guò)合金的屈服強(qiáng)度時(shí)，打印層極易發(fā)生翹曲，甚至開裂現(xiàn)象。

Fig. 2. Equivalent stresses after cooling at different laser powers with a scanning speed of 350 mm/s: (a) Residual stress distribution of different laser powers at room temperature; (b) Maximum equivalent stress variation with laser power; (c) Equivalent stress along the x-axis; (d) Equivalent stress along the y-axis, (e) Equivalent stress along the z-axis.

Fig. 3. Equivalent stresses after cooling at different scanning speeds with a laser power of 210 W: (a) Residual stress distribution for different scanning speeds at room temperature; (b) Maximum equivalent stress variation with scanning speed; (c) Equivalent stress along the x-axis; (d) Equivalent stress along the y-axis; (e) Equivalent stress along the z-axis.

5結(jié)論

（1）熔池內(nèi)的熱累積導(dǎo)致溫度隨著掃描軌道數(shù)量的增加而升高。

（2）當(dāng)激光功率從150 W提高到240 W時(shí)，熔池的最高溫度、熔池壽命和冷卻速度都有所提高；當(dāng)掃描速度從250 mm/s增加到400 mm/s時(shí)，冷卻速率從6.11×10^6 ℃/s提高至9.86×10^6 ℃/s，而熔池的最高溫度和最低壽命均逐漸降低。

（3）LPBF成形后，Al-Cu合金中的殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，集中在打印層的中心區(qū)域。提高掃描速度、增加激光功率均會(huì)提高等效殘余應(yīng)力。

6前景與應(yīng)用

本文建立了一種有效、可靠的可用于描述LPBF成形Al-Cu合金的三維熱-力耦合有限元模型，通過(guò)該模型可快速分析成形過(guò)程中熱應(yīng)力演變規(guī)律以及殘余應(yīng)力分布情況，從而獲得高性能、無(wú)裂紋Al-Cu合金的成形工藝窗口。

關(guān)于團(tuán)隊(duì)

作者介紹

李曉峰（通信作者），中北大學(xué)教授，入選國(guó)家級(jí)青年人才，強(qiáng)國(guó)青年科學(xué)家。主持國(guó)家自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，以一作/通訊發(fā)表SCI論文40余篇，4篇入選ESI高被引論文，單篇最高被引200余次；榮獲山西省自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國(guó)有色金屬工業(yè)科技獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)；獲第三屆中國(guó)有色金屬創(chuàng)新爭(zhēng)先獎(jiǎng)。兼任中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員、山西省粉末治金產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟理事長(zhǎng)等學(xué)術(shù)職務(wù)。

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[4] K. Liu, L. Zhang*, L. Cao, T. Wang, J. Fu, J. Wang, J. Zhang, X. Yang, Y. Cao, B. Liu, X. Li*, Y. Gan, Binder jetting additive manufacturing of a 95W-3.5Ni-1.5Fe tungsten heavy alloy: Enhanced ductility and dynamic deformation mechanisms, Materials Science and Engineering: A 942 (2025) 148719.

[5] X. Qu, X. Li*, L. Zhang*, D. Yi, J. Wang, C. Wen, Z. Zhao, X. Gu, Y. Lin, B. Liu, Y. Cao, P. Bai, Effect of construction angles on the microstructure and mechanical properties of LPBF-fabricated 15-5 PH stainless steel, Materials Science and Engineering A 900 (2024) 146423.

作 者： 牛玉玲

責(zé)任編輯：李 娜

責(zé)任校對(duì)： 金 程

審 核： 張 彤

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