2023年7月17日，中北大学白培康教授、赵占勇副教授团队与中国人民解 放 军陆军装甲兵学院再制造技术重点实验室合作在国际著名杂志《Optics & Laser Technology》上发表最新研究成果 “Numerical simulation and experimental study of the 7075 aluminum alloy during selective laser melting“。利用ANSYS APDL 19.0 建立了选区激光熔化(SLM)成型的7075铝合金的热结构耦合有限元模型。通过数值模拟与实验相结合的方法，研究了不同工艺参数对温度场和应力场的影响。白培康教授和赵占勇副教授为共同通讯作者。
研究结果表明：熔池尺寸随着激光功率的增大或扫描速度的降低而增大。冷却速率随着激光功率或扫描速度的增加而增加。激光功率或扫描速度的增加导致残余应力增大，最大残余应力位于熔池重叠区域。获得了扫描策略、激光功率、扫描速度等不同工艺参数对样品成形质量和显微组织的影响。采用棋盘扫描策略形成的样品具有最低的孔隙率和裂纹数。随着激光功率的增加或扫描速度的降低，孔的数量减少，柱状晶中胞状结构之间的孔隙尺寸增大。与激光功率相比，扫描速度对形成的样品的微观结构影响更大。实验结果与数值模拟结果吻合较好。
1）熔池尺寸随着激光功率的增大或扫描速度的降低而增大。3）由短扫描矢量组成的分区扫描方法可以减少局部区域的应力集中。4）随着激光功率的增加，未熔化的冶金缺陷的数量逐渐减少。5）与激光功率相比，扫描速度对成形样品的微观结构影响更大。
图1 7075铝合金的热机械性能；(a) 密度，(b) 热导率，(c) 比热，(d) 焓。
图2 不同激光功率下的温度分布，左侧为截面，右侧为剖面；(a1-a2)220W、(b1-b2)260W、(c1-c2)300W、(d1-d2)340W、(e1-e2)380W。
图3.不同激光功率下温度变化与位移和尺寸分布的关系；(a) 220 W，(b) 260 W，(c) 300 W，(d) 340 W，(e) 380 W，(f)模拟（虚线）和实验（实线）之间的尺寸比较。
(1) 熔池尺寸随着激光功率的增大或扫描速度的降低而增大。原因是熔池中心的峰值温度会升高，液相的存在时间会增加。冷却速率随着激光功率或扫描速度的增加而增加，这是由于熔池温度梯度增大造成的。(2) 残余应力随着激光功率和扫描速度的增加而增加。这是由于熔池内部的温度梯度增加，由于热膨胀和收缩而增加了材料的结合力。(3) 棋盘状样品的泡孔结构粗大，孔隙率小，裂纹少。这是因为由短扫描矢量组成的分区扫描方式减少了局部区域的应力集中，从而降低了整体残余应力水平。(4) 随着激光功率的增加，冶金缺陷数量减少，裂纹数量略有增加，熔池边界区域孔洞密度降低，熔池边界特征逐渐不明显，熔池中胞状结构尺寸增大。柱状晶增多。(5) 随着扫描速度的增加，裂纹数量略有增加，熔池边界区域的孔洞密度逐渐增加。熔池边界特征逐渐明显，柱状晶内部的胞状结构尺寸减小，胞状结构之间的一些孔隙缺陷尺寸也减小。
白培康，1969年8月生，博士，教授，博士生导师。入选“教育部新世纪优秀人才”、山西省“新世纪学术技术带头人333 人才工程”、“山西省新兴产业领军人才”等人才计划。兼任中国兵工学会特种加工委员会副主任委员、中国3D打印技术产业联盟副理事长、山西省机械工程学会副理事长等学术职务。主要研究方向为激光增材制造技术及材料再生与综合利用技术，先后承担了国家科技支撑计划、总装备部重点支撑项目、工信部绿色制造系统集成项目、国家自然科学基金等省部级以上课题30余项。获得中国有色金属工业科学技术进步一等奖、山西省科技进步二等奖等省部级科技奖励7项，申请/授权国家发明专利60/39项，发表论文80余篇，出版著作2部。
赵占勇，1986年10月生，博士，副教授，硕士生导师。国防科技创新团队核心成员、山西省“三晋英才”支持计划青年优秀人才、江苏省扬州市“绿扬金凤计划”优秀博士、江苏省双创计划科技副总、中北大学青年学术带头人。第一负责人主持主持国家自然科学基金（面上、青年、重点基金子课题）、军委科技委基础加强计划重点基础研究课题、“十四五”装备预研共用技术、军委装备发展部快速支持项目、中国博士后科学基金面上项目、装备预研基金（2项）、山西省重大科技专项课题、山西省重点研发计划、山西省自然科学基金（面上、青年）、山西省专利转化专项计划项目、743厂横向课题等项目20余项。第一作者（通讯作者）在Carbon、Journal of Materials Science & Technology、Composites Part B、Materials Science and Engineering A、Journal of Alloys and Compounds等期刊发表SCI收录论文60余篇，ESI热点/高被引论文4篇。作为主要完成人获得授权国际/国家发明专利60余项，其中排名第一25项。获日内瓦国际发明展银奖、中国有色金属优秀科技论文一等奖、中国机械工程学会铸造专业优秀论文银奖等奖励。指导学生获山西省优秀硕士论文、山西省“兴晋挑战杯”竞赛特等奖、山西省“互联网+”大学生创新创业大赛银奖、研究生国家奖学金、中北大学学业奖学金等。Zhao Z, Wang J, Du W, et al. Numerical simulation and experimental study of the 7075 aluminum alloy during selective laser melting[J]. Optics & Laser Technology, 2023, 167: 109814.
