南航顾冬冬丨TiC/Inconel 718复合材料激光3D打印的热行为和熔化/凝固机制

选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)作为增材制造的重要分支，可用于直接成形复杂结构零件，实现零件的(近)净成形。SLM成形过程中，高能激光束与粉层交互作用，最大冷却速率可达106-7°C/s，这有利于制件获得微细、均匀的显微组织；通过激光参数调控可实现熔池内部液相充分铺展及基体/颗粒界面处合理的温度-应力分布，以提高基体/颗粒两相结合强度。然而由于激光热源的快速移动，形成的熔池存在时间极短，冷却速率极快，但通过实验方法观测和记录瞬态温度场极为困难，难以准确描述SLM过程中复杂的物理冶金现象。而通过数值模拟方法研究上述问题是目前解决该难题的重要途径之一。

论文建立了TiC/Inconel 718复合材料体系选区激光熔化SLM三维有限元模型，研究了SLM成形TiC/Inconel 718复合材料过程中的熔池热行为及其熔凝机制。

结果表明：SLM过程中存在明显的热累积效应；当激光功率从75 W增至150 W时，熔池内最大温度梯度由1.30 × 104 °C /mm增至2.60 × 104 °C/mm，而温度梯度对于扫描速率的变化并不敏感；最大温度变化率与激光参数(激光功率、扫描速度)呈正对应关系；采用较低激光功率(75 W)或较高扫描速率(300 mm/s)，熔池Z方向能量利用率高，易形成窄且深的熔池截面；在较高功率(150 W)或较低扫描速度(50 mm/s) 下，Y方向能量利用率较高，形成的熔池截面较浅且宽；当激光功率为125 W，扫描速度为100 mm/s时，制备获得了无孔隙、裂纹且冶金结合良好的SLM制件(熔池尺寸：宽109.3 μm，长120.7 μm，深67.8 μm)。基于选区激光熔化实验有效验证了模拟结果的准确性。