激光选区熔化成形钛合金零件工艺仿真研究*

王卫东，刘建光，刘 倩，胡震东，张嘉振

（1.中国商飞北京民用飞机技术研究中心，北京 102211；2.民用飞机结构与复合材料北京市重点实验室，北京 102211）

激光选区熔化（Selective laser melting，SLM）以高能激光束为热源，通过周而复始地熔化凝固金属粉末，可快速将三维数字模型成形为金属零件[1-4]。与传统加工制造方式相比，采用SLM 技术可极大提升设计自由度，尤其对于具有复杂结构特征的航空零件来说，更能极大地保证成形零件与设计模型的一致性[5]。同时，SLM 工艺能大大缩短复杂零件的设计制造周期[6]。正因为该技术有非常明显的优势，目前，已经在航空航天领域获得了广泛的应用[7]。

采用SLM 工艺成形时，金属粉末熔化凝固的速率超高，可达到107K/s，因此成形零件的微观组织均匀，晶粒细小，综合机械性能优异[8]。但同时由于温度梯度高，金属零件内部残余应力较大。对于结构复杂的零件，成形中发生开裂、翘曲、变形，甚至成形失败的可能性增加[9-10]。选择合理的工艺参数可显著提高零件的制造成功率[11]，因此，非常有必要在生产制造前对零件进行工艺仿真，评估零件的残余应力及变形情况，为成形方向摆放、支撑添加以及工艺参数的设置提供精确的指导[12-13]。

目前，已有多款分析软件可对SLM 过程进行工艺仿真分析[14]，例如ANSYS Additive[15-16]、Simufact Additive[17]、ABAQUS Additive[18-19]、Inspire Print3D 等。卢庆勇等[20]采用Simufact Additive 软件对钛合金支架进行了支撑优化分析，分析结果表明支撑结构有效降低了零件的变形值，镂空支撑一定程度上可对支撑结构进行优化。陶攀等[21]预测了SLM 成形AlSi10Mg 合金悬臂梁的变形情况，研究结果表明模拟的翘曲方向和变形趋势与试验测量值具有非常高的吻合性。……