镍基高温合金IN738激光选区熔化中预热温度对熔池演化的影响

Weihao Wang, et al. Mesoscopic evolution of molten pool during selective laser melting of superalloy Inconel 738 at elevating preheating temperature
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110355

Center for Adaptive System Engineering, ShanghaiTech University
上海科技大学智造系统工程中心

研究背景

• 基板预热如何影响IN738熔池的凝固行为？
• 基板预热如何影响IN738的开裂行为？

研究方法

1.离散元方法构建粉床模型（FLOW-3D -DEM）
2.确定激光选区熔化的边界条件，构建热流CFD模型（FLOW-3D -Weld）
3.使用上述模型研究单道、多道熔池的温度场和流动行为

研究结果 - 单道熔池形貌仿真与实验对比

熔池形态对比

冷却速率分布

固相率分布

研究结果 - 单道熔池孔隙形成

孔隙现象也会随着不同的能量密度以及预热情况而产生变化。几种具有代表性的工艺参数条件下孔隙形成的截面图（Y-Z平面）如图所示。

研究结果 – 裂纹

凝固方式：边缘由外向内/中线沿着扫描方向

裂纹更易从中心线处扩展产生

不同预热下X/Y/Z矢量温度梯度分布

研究结果 – 单道熔池凝固条件

随着预热温度的增加，熔池边缘的冷却速率从200°C的2.2×10^6K/s减小到700°C下的5.3×10^5K/s，降低的冷却速率导致更浅但更宽的熔池中较低的拉应力和减少的液化开裂敏感性。

200°C预热条件下的温度梯度从头部的8.8×10^6K/m减少到尾部附近约5.3×10^6K/m的“黄色水平”。相比之下，700°C预热条件下，温度梯度减少到约3×10^6K/m的“青色水平”。如图所示观察到高预热温度增加了长度，形成了更均匀的热场。

结论

FLOW-3D AM 软件可以模拟预热温度对熔池演化的影响，并且可以提供非常详细和可靠的热/流信息。