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摘要：本文通过ABAQUS软件模拟钛合金SLM成形过程，分析不同工艺参数下的温度场与应力场变化。研究表明：激光功率增加使温度上升、等效应力减小；扫描速度提升则缩短激光与粉末作用时间，增大等效应力。优化扫描方式和基板预热可以改变温度梯度降低等效应力。选取出最佳工艺参数为激光功率155W、扫描速度1200mm/s、一字形扫描和100℃基板预热。

关键词：SLM；工艺参数；温度场；应力场

0引言

在当今信息化时代，科技日新月异，对材料性能与加工技术的要求愈加苛刻。TC4等高性能金属合金以其卓越特性，在增材制造领域备受关注，尤其在工业智能制造中展现出巨大潜力。TC4合金因其优异的力学、耐腐蚀及低密度特性，在航空航天、汽车及生物医学等领域得到广泛应用。然而，TC4合金的制备与应用仍面临诸多挑战，如材料内部结构优化、性能均匀性提升及残余应力控制等。为应对这些挑战，本文通过数值模拟方法，深入研究了不同工艺参数对TC4合金SLM成形过程中温度场及应力场的影响。通过优化工艺参数，旨在提升材料性能与可靠性，满足更多领域的需求。

1激光增材制造有限元分析模型

本文建立的几何模型如图1所示。材料为TC4粉末层的尺寸为 0.47mm0.37mm0. 06mm，每一层厚度为0.03mm，共两层，基板层的尺寸为 0.67mm0.57m0.3mm。不同工艺参数即激光功率（100W、155W、210W）、扫描速度（1000mm/s、1200mm/s、1400mm/s）、不同扫描方式以及基板预热（50℃、50℃）对温度场及应力场的影响，其中具体扫描方式如图1。

2.温度场数值模拟结果分析

图2为不同工艺参数下点2位置的热循环温度曲线，由图可知，激光功率、扫描速度、扫描方式和基板预热对SLM成形过程中的温度场有显著影响。激光功率增加时，能量密度提高，熔池最高温度增大，热效应更强烈。扫描速度增快则减少激光对粉末的作用时间，降低熔池最高温度。扫描方式的不同导致热累积和熔池温度分布的差异。一字形扫描热累积较小，而z字型扫描热累积更高，这是由于一字形扫描熔覆道间存在一定的间歇时间，导致热累积明显较小，而z字形扫描的热累积更高。基板预热能提升熔池最高温度，减少温度下降幅度，使温度分布更均匀。

3.应力场数值模拟结果分析

图3为不同参数下点 2 位置等效应力随时间变化曲线，随着激光功率的增加，能量密度提高，熔池温度迅速上升，促进粉末熔化，减小温度梯度，降低热应力。扫描速度则通过影响熔池温度和加热时长来调控应力场，速度增大导致温度梯度增大，加剧热应力。扫描方式的不同，如一字形、层间旋转和z字型扫描，会在成形件内部产生不同的温度分布，进而影响应力场的累积和释放。基板预热能有效提高初始温度，改善温度场分布，降低温度梯度，从而减少热应力的产生。

图4为成形的制件冷却至室温时的残余应力场云图，应力集中出现在激光开始扫描时制件与基板相结合的四个底角位置，激光功率、扫描速度和扫描方式对SLM成形件的残余应力场有显著影响。随着激光功率的增加，最大应力值范围逐渐减小，有助于降低应力集中和整体应力水平。扫描速度的提高则导致残余应力集中区域增大和应力值提升，不利于成形质量。扫描方式的改变对残余应力影响相对较小，但z字型扫描因重熔作用可能导致残余应力增加。基板预热通过减小温度差异降低热应力和残余应力，预热温度越高，残余应力最大值越小。

4.结论

本文利用ABAQUS软件，深入研究了钛合金SLM成形中温度与应力场的动态变化。得出相关结论：

激光功率、扫描速度、扫描方式和基板预热对SLM成形过程中的温度场和应力场均有显著影响。增加激光功率能提高能量密度，增大熔池温度，降低热应力和残余应力；提高扫描速度则减少激光作用时间，降低熔池温度，但加剧热应力和残余应力；不同扫描方式影响热累积和熔池温度分布，进而影响应力场的累积和释放；基板预热通过提高初始温度，改善温度场分布，降低热应力和残余应力。最佳工艺参数为激光功率155W、扫描速度1200mm/s、一字形扫描和100℃基板预热，在SLM成形过程中，合理调控这些参数可优化温度场和应力场，提升成形件质量和效率。

参考文献

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