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

上海科技大學智造系統工程中心

一、研究背景

? 基板預熱如何影響IN738熔池的凝固行為？

? 基板預熱如何影響IN738的開裂行為？

二、研究方法

1.離散元方法構建粉床模型（FLOW-3D -DEM）

2.確定激光選區熔化的邊界條件，構建熱流CFD模型（FLOW-3D -Weld）

3.使用上述模型研究單道、多道熔池的溫度場和流動行為

三、研究結果 - 單道熔池形貌仿真與實驗對比

熔池形態對比

冷卻速率分布

固相率分布

四、研究結果 - 單道熔池孔隙形成

孔隙現象也會隨著不同的能量密度以及預熱情況而產生變化。幾種具有代表性的工藝參數條件下孔隙形成的截面圖（Y-Z平面）如圖所示。

五、研究結果 – 裂紋

凝固方式：邊緣由外向內/中線沿著掃描方向

裂紋更易從中心線處擴展產生

不同預熱下X/Y/Z矢量溫度梯度分布

六、研究結果 – 單道熔池凝固條件

隨著預熱溫度的增加，熔池邊緣的冷卻速率從200°C的2.2×10^6K/s減小到700°C下的5.3×10^5K/s，降低的冷卻速率導致更淺但更寬的熔池中較低的拉應力和減少的液化開裂敏感性。

200°C預熱條件下的溫度梯度從頭部的8.8×10^6K/m減少到尾部附近約5.3×10^6K/m的“黃色水平”。相比之下，700°C預熱條件下，溫度梯度減少到約3×10^6K/m的“青色水平”。如圖所示觀察到高預熱溫度增加了長度，形成了更均勻的熱場。

七、結論

FLOW-3D AM 軟件可以模擬預熱溫度對熔池演化的影響，并且可以提供非常詳細和可靠的熱/流信息。