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激光粉末床熔融工艺建模及Ti-6Al-4V表面特性影响因素分析

DOI：10.1016/j.ijmecsci.2019.105299 期刊：International Journal of Mechanical Sciences 出版年份：2019 更新时间：2025-09-12 10:27:22
摘要： 本文提出一种预测平均表面粗糙度(Sa)的模型，并分析相关工艺参数对Ti-6Al-4V激光粉末床熔融(LPBFS)选择性激光熔化(SLM)的影响。增材制造(AM)工艺存在多种影响制件质量的独立参数，其分析过程较为复杂。虽然LPBF工艺参数可单独选择，但它们彼此相互影响。因此，由于参数间相互制约可能引发裂纹、球化、粉末未熔合、孔隙和变形等问题，无法对工艺参数进行大幅调整。采用田口L25实验设计(DOE)选取了一系列工艺参数（每个样本重复五次），随后应用人工神经网络(ANN)模型预测算术平均高度/平均表面粗糙度(Sa)值。所选工艺参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、激光路径增量角度及热处理(HT)条件。本研究围绕ANN建模展开，采用符合ASTM标准的大范围参数组合与大量测试样本，并在DOE中加入HT以分析热处理与工艺参数变化对表面特性的协同影响。通过对125个样本进行3750次表面轮廓测量，获得了具有高普适性与可靠性的庞大数据集。本文创新点在于将ANN作为表面建模的精确工具，并表征了影响LPBF制件表面的关键参数。通过引入熔池流变学新参数机制，阐明了相关现象及其主导因素。金属增材制造中，搭接区平均粗糙度变化可达轨迹中心区域的5-7倍，因此选择Sa以确保测量粗糙度值的一致性。结果表明：超过β相转变点的热处理会导致表面材料局部流动，从而增大Sa值。影响Sa的主导因素排序（从高到低）为：热处理 > 激光功率 > 扫描路径角度 > 扫描间距 > 扫描速度。
作者： Amir Mahyar Khorasani，Ian Gibson，AmirHossein Ghasemi，Alireza Ghaderi
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

提出一个预测平均表面粗糙度(Sa)的模型，并分析相关工艺参数对Ti-6Al-4V激光粉末床熔融(LPBF)选择性激光熔化(SLM)过程的影响。

研究成果

结果表明，采用激光粉末床熔融（LPBF）工艺打印的Ti-6Al-4V合金，当热处理温度超过β相变点时，会因局部表面熔化、球化、未熔颗粒及残留颗粒等缺陷形成而导致表面质量下降。较高的激光功率（LP）和较低的扫描速度（SS）会使表面质量降低，这是由马兰戈尼效应引发熔融糊状区形成并增加匙孔缺陷概率所致。表面粗糙度算术平均值（Sa）与层间搭接率（HS）呈直接函数关系——较大的HS值意味着更小的重叠区域，从而降低了未熔颗粒黏附的概率。由于后续打印层对前序层的几何覆盖效应，较低的粉末层厚度（PA）能获得更好的表面质量。本研究表明，人工神经网络（ANN）是预测不同工艺参数及后处理条件下Sa数值及其变化趋势的精准工具。

研究不足

提供的内容中未明确提及实验的技术和应用限制，以及潜在的优化领域。

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