金属钛合金丝材3D打印焦耳热预热和熔融热分配分析

发布时间:

2026-03-23

摘要 :针对金属钛合金丝材3D打印过程中的热分配问题,文中提出焦耳热预热与熔融热的协同优化机制。基于ANSYS瞬态热力学模型,系统分析了不同激光功率(1~10kW)下温度场演变规律及其对应力应变场的影响。结果表明:预热温度(1638℃)与熔融热分配比是控制成形质量的核心参数;当激光功率为3kW(预热∕熔融热配比≈1∶1)时,钛合金丝材达到理想熔融温度(1638℃),成形件综合性能最优。该配比显著降低热积累效应,残余应力分布均匀且形变最小(总形变量5.75×10^-5mm),为高精度钛合金增材制造提供理论依据。

0 引言

钛合金增材制造技术因其在复杂构件成形方面的独特优势,已成为航空航天、生物医疗等领域的关键制造工艺[1-2]。与传统减材制造不同,该技术通过逐层熔融沉积钛合金丝材实现近净成形,其中焦耳热分配控制直接影响熔池稳定性与成形质量[3]。

当前研究面临的核心挑战在于:预热不足导致层间结合力弱化(孔隙率>5%),降低力学性能[4];热积累过量,引发碳化烧损(温度>1700℃时,烧蚀深度波动±18%)[5],影响尺寸精度;真空环境下热耗散机制不明确,加剧残余应力聚集(最大等效应力达4.02×10⁸Pa)[6]。为此,本文提出基于焦耳热协同调控的优化方法:建立瞬态热-力耦合模型(ANSYS平台),量化真空条件下预热温度场(基准值1638℃)与熔融热的动态分配关系;设计多参数对比试验(激光功率1~10 kW),揭示配比对烧结深度、形变及应力的影响机制;基板尺寸10 mm×10 mm×3 mm,丝材截面2mm×2mm×0.03mm,采用混合网格技术(扫描区六面体网格0.025mm,非扫描区自适应网格)平衡计算效率与精度[7-9]。该研究为高精度钛合金丝材增材制造提供理论支撑,对解决热致缺陷、增强成形件服役性能具有重要的工程应用价值。

1 温度场有限元分析

1.1 模型建立

基板是一个尺寸为10mm×10mm×3mm的长方体(最底部灰色部分),丝材打印的模型为100个熔融并连接在一起的尺寸为1mm×1mm×1mm的正方体,一共累计10层[10-12]。在基板一个边的中心建立三维坐标系O(0,0,0),并使正方体一边的中点在坐标原点,使其形成一个单道多层的几何模型,如图1所示。

1.2 3D打印温度场

在3D打印第1层打印完成之后,最高温度区域逐渐向试件的中部移动。这是因为在打印过程中,试件内部散热困难,随着打印高度增加,温度逐渐向试件的下部传递,同一等温线所包围的区域越来越大,热影响区逐渐增大。这是由于每进行下一层打印时,下层打印温度均会传递给本层,不断地进行热积累,热影响区就越来越大。

如图2所示,该工况下激光功率处于试验设定的最高水平(10kW),熔融热在热分配中占比更高(1:2)。打印温度在前几秒内迅速攀升至3200℃的高位峰值,且每1层打印启动时均对应1个明显的温度峰值。由于高功率输入与熔融热占优的分配模式,热积累效应极为显著,随着打印层数增加,熔融热不断叠加,温度持续升高,全程维持在较高水平,后期温度接近钛合金烧损临界区间,热稳定性较差。

如图3所示,激光功率降至7kW,预热与熔融热分配比调整为2:3,预热贡献占比相较于10kW工况有所提升。温度在前几秒内仍能快速升至3200℃,每1层打印启动时的温度峰值特征依然明显,但受功率降低与预热占比优化的影响,后续每层打印带来的温度叠加幅度较10kW工况更为平缓,热积累速率有所减缓,温度整体呈稳步上升趋势,未出现急剧攀升的现象。

如图4所示,激光功率进一步降至5kW,预热与熔融热分配比优化为3:4,预热作用得到进一步强化。打印温度大约在10s后达到3200℃,但后续随着打印层数增加,得益于较低的功率输入与更高的预热占比,熔融热叠加效应被有效缓解,温度峰值的提升幅度明显减小,温度场波动范围收窄,整体热稳定性优于高功率(10kW,7kW)工况,热积累现象得到初步控制。

如图5所示,激光功率为3kW,预热与熔融热分配比达到1:1的均衡状态。温度在前几秒内迅速升至1500℃后,由于热输入与热扩散效率形成良好匹配,后续每层打印时的温度叠加效应温和,温度场整体波动较小,未出现明显的大幅升温趋势。全程温度围绕钛合金理想打印温度区间(1638℃左右)波动,热积累效应最弱,温度场稳定性最佳。

如图6所示,激光功率为试验设定的最低值(1kW),且预热在热分配中占主导地位(2∶1),熔融热输入相对不足。打印温度大约在15s时升至1300℃,但后续随着打印层数增加,受低功率与高预热占比的影响,熔融热补充不足,温度提升速率显著放缓,甚至出现升温趋缓的态势。整体温度水平低于其他功率工况,热积累效应最弱,因熔融热不足,故温度难以稳定维持在钛合金理想熔融区间。

可见每一层打印都会叠加温度直至打印完成,在打印过程中因熔融热不同导致平均打印温度各不相同,最接近金属钛合金的打印温度为1600℃左右,熔融热温度与预热温度分配比为1∶1时,打印件质量最好。

2 应变场分析

ANSYS仿真可得到钛合金在高温下的应力场云分布图,可反映材料在特定工况下的应力状态。在3D打印过程中,钛合金材料容易受到热应力的影响。在SLM打印过程中,由于激光是逐层打印的,导致各层的残余应力分布不均匀。图7~9为应力变化图。

在ANSYS钛合金热应力仿真分析时除了应力云图外,还可得到钛合金在高温下的形变曲线图,如图10所示。该图可以更准确地反映出在某时刻的应力应变状况,可以更好地了解打印件的形变量。

图11中的等效弹性应变曲线为3D打印工艺优化提供了明确的量化依据:曲线中最大应变通常出现在激光扫描熔池中心的瞬间,若持续超过材料临界值,则预示过热风险,易引发微裂纹,此时应降低激光功率或提升扫描速度;最小应变反映层间冷却后的弹性恢复状态,若该值偏高,则说明冷却不足,需延长层间时间或加强散热;而平均应变则表征全过程的热应力水平,可通过预热基板或采用分区扫描策略使其稳定在更低区间,从而抑制翘曲、提升尺寸一致性。整条曲线实质上构建了一个“应变-工艺”闭环:通过实时监测应变特征并反向调控热输入与冷却节奏,即可实现从被动成形到主动控性的跨越,这对航空航天等高精度金属增材制造具有重要指导意义。

一般来说,随着温度升高,材料的塑性变形能力增加,导致材料的破坏强度降低,从而使等效应力降低。此外,在高温下由于材料内部结构的变化,也会影响材料的强度和耐久性,导致对等效应力的影响,如图12所示。

在预热和熔融热分配比为1∶1时,打印件的等效弹性应变为2.14×10^-3,等效应力为4.0197×10⁸Pa,总形变量为0.05746mm。可以看出,钛合金在温度升高的情况下,总形变量越来越大。这是由于随温度升高,材料的热膨胀系数越来越大,致使打印件的尺寸随之增大。打印件内部的热积累也会使打印件内部的应力变化,进一步导致材料形变。因此,选择适宜的激光功率和加入一定的冷却时间会使成形件拥有更好的质量。

3 结论

本文通过建立真空环境下钛合金丝材增材制造的焦耳热预热-熔融热分配模型,系统研究了热分配比对成形质量的影响,主要结论为:

(1)在打印过程中因熔融热不同导致平均打印温度各不相同,最接近金属钛合金的打印温度为1600℃左右,熔融热与预热分配比为1∶1时,打印件质量最好。

(2)在预热和熔融热分配比例为1∶1时,打印件的等效弹性应变为2.14×10^-3,等效应力为4.0197×10⁸Pa,总形变量为0.05746 mm。

(3)本研究证实焦耳热预热分配协同控制是提升真空钛合金打印质量的核心途径,为高精度航空航天部件制造提供理论支撑。

参考文献 :Welding Technology Vol.55 No.2 Feb.2026；金属钛合金丝材3D打印焦耳热预热和熔融热分配分析；张伟博；刘伟；王江涵；李素丽

金属钛合金丝材3D打印焦耳热预热和熔融热分配分析,张伟博,刘伟,王江涵,李素丽在先进制造与新材料产业加速升级的当下，高端稀有难熔金属球形粉体、定制化增材制造服务成为突破关键领域技术瓶颈的核心支撑。星尘科技专注射频等离子体球化技术研发、高端稀有难熔金属球形粉体生产，以及增材制造全流程技术服务，凭借扎实的技术积累与产业链布局，稳步成为行业可靠的解决方案合作伙伴。技术是企业发展的核心底气。星尘科技深度依托广东省科学院新材料研究所研发团队，凝聚三十余载材料研发与工艺攻关沉淀，牢牢掌握射频等离子体球化制粉核心技术。该技术针对稀有难熔金属特性优化，可高效制备高纯、球形高、流动性优异的专用粉体，满足航空航天、高端装备、精密制造等领域对高品质材料的严苛要求。区别于单一产品或服务模式，星尘科技聚焦客户全流程需求，打造“高端装备+球形粉体+3D打印”一体化解决方案，打通产业上下游壁垒。目前，企业已构建集制粉装备研发、粉体制备、材料改性、3D打印服务于一体的全产业链布局，实现从装备供给、材料定制到成型加工的闭环服务，省去客户多方对接成本，提升项目落地效率与成品质量稳定性。坚守匠心、深耕细分，星尘科技以技术创新为内核，以全产业链优势为支撑，持续深耕高端粉体与增材制造领域，助力先进制造产业提质增效、迭代升级，为高端材料国产化替代与产业高质量发展注入持久动力。更多产品信息，欢迎咨询我们的专业销售经理，郑经理13318326187。