中北大學李曉峰教授團隊：激光粉末床熔融成形Al-Cu-Mg-Si合金熱裂行為的有限元模擬 | AMF論文推薦

引用論文

Yuling Niu, Li Zhang, Jianhong Wang, Jinfang Zhang, Xiaohui Yang, Bin Liu, Yuankui Cao, Hong Xu, Ruibin Duan, Xiaofeng Li. Cracking mechanism of Al-Cu-Mg-Si alloy during laser powder bed fusion by numerical simulation. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 3, 2025, 200213.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200213.

文章鏈接：

1研究背景及目的

Al-Cu系合金作為最早應用于工業的鑄造鋁合金，憑借其卓越的強度和耐熱性脫穎而出，被廣泛應用于國防、航空航天、汽車工業等領域。然而，Al-Cu合金在LPBF成形過程中，粉末床的快速熔化和凝固導致溫度場變化劇烈，產生較大的溫度梯度；由此產生的殘余應力可能導致成形件出現變形、翹曲、開裂等缺陷，嚴重影響合金的成形質量和力學性能。本文將采用數值模擬的方法分析LPBF成形Al-Cu合金過程中熱應力演變規律以及殘余應力分布情況，從而為高性能、無裂紋Al-Cu合金的成形提供理論指導。

2論文亮點

（1）針對LPBF實際工況，建立了一種考慮粉末-固相轉變、材料非線性特性、熔化潛熱、熔池對流等因素的三維熱-力耦合有限元模型；

（2）采用間接耦合的方式分析了LPBF成形過程中瞬態應力的分布及演化規律；

（3）通過組織觀察以及殘余應力測試，驗證了三維熱-力耦合分析模型的可靠性。

3試驗方法

本文借助ANSYS WORKBENCH 數值仿真平臺建立了一種多層多軌三維熱-力耦合有限元模型，并使用生死單元技術模擬分析了LPBF成形過程中Al-Cu-Mg-Si合金的溫度場及應力場的變化規律。

4結果

圖1a為在210W、350mm/s下進行單層激光掃描時熔化層各軌道中心溫度的熱歷史。由圖可知，當激光束到達監測點時，溫度急劇上升到熔點以上，然后迅速回落，形成一個非常尖銳的峰值形狀。隨著加工過程的進行，前一掃描軌道對后續未加工區域的預熱作用逐漸穩定，溫度變化幅度也趨于穩定。各軌道中心的溫度變化率如圖1b所示，隨著軌道數量的增加，最大加熱速率先增大后減小，最高達到10.27×10^6℃；最大冷卻速率逐漸減小，最低為8.63×10^6℃，但差別不大。

Fig. 1 Transient thermal behavior of the Al-Cu-Mg-Si processed at P=210 W and V=350 mm/s: (a) Temperature history of P1–P5 and (b) temperature change rates of P1–P5.

圖2和圖3分別為激光功率和掃描速率對LPBF成形Al-Cu合金冷卻后等效應力分布的影響。由圖可知，在加工過程結束后，已成形區域開始發生收縮變形，其收縮受到周圍低溫區材料的限制，使成形區域區產生拉應力。不同成形條件下打印層的殘余應力分布趨勢基本一致，即打印層上表面的殘余拉應力較大，而打印層邊緣的殘余拉應力較小。但是對于基板來說，除了與打印層界面接觸的位置殘余應力較大外，整體殘余應力較小。當此處的殘余應力一旦超過合金的屈服強度時，打印層極易發生翹曲，甚至開裂現象。

Fig. 2. Equivalent stresses after cooling at different laser powers with a scanning speed of 350 mm/s: (a) Residual stress distribution of different laser powers at room temperature; (b) Maximum equivalent stress variation with laser power; (c) Equivalent stress along the x-axis; (d) Equivalent stress along the y-axis, (e) Equivalent stress along the z-axis.

Fig. 3. Equivalent stresses after cooling at different scanning speeds with a laser power of 210 W: (a) Residual stress distribution for different scanning speeds at room temperature; (b) Maximum equivalent stress variation with scanning speed; (c) Equivalent stress along the x-axis; (d) Equivalent stress along the y-axis; (e) Equivalent stress along the z-axis.

5結論

（1）熔池內的熱累積導致溫度隨著掃描軌道數量的增加而升高。

（2）當激光功率從150 W提高到240 W時，熔池的最高溫度、熔池壽命和冷卻速度都有所提高；當掃描速度從250 mm/s增加到400 mm/s時，冷卻速率從6.11×10^6 ℃/s提高至9.86×10^6 ℃/s，而熔池的最高溫度和最低壽命均逐漸降低。

（3）LPBF成形后，Al-Cu合金中的殘余應力主要表現為拉應力，集中在打印層的中心區域。提高掃描速度、增加激光功率均會提高等效殘余應力。

6前景與應用

本文建立了一種有效、可靠的可用于描述LPBF成形Al-Cu合金的三維熱-力耦合有限元模型，通過該模型可快速分析成形過程中熱應力演變規律以及殘余應力分布情況，從而獲得高性能、無裂紋Al-Cu合金的成形工藝窗口。

關于團隊

作者介紹

李曉峰（通信作者），中北大學教授，入選國家級青年人才，強國青年科學家。主持國家自然科學基金等科研項目20余項，以一作/通訊發表SCI論文40余篇，4篇入選ESI高被引論文，單篇最高被引200余次；榮獲山西省自然科學獎二等獎1項、中國有色金屬工業科技獎二等獎1項；獲第三屆中國有色金屬創新爭先獎。兼任中國有色金屬學會青年工作委員會委員、山西省粉末治金產業技術聯盟理事長等學術職務。

近年團隊發表文章

[1] X. Li*, L. Zhang, Y. Li, Y. Zhao, Z.a. Guo, H. Wang, K. Liu, P. Bai, B. Liu, H. Tang, Y. Liu*, M. Qian*, Advances in additive manufacturing of cemented carbides: From powder production to mechanical properties and future challenges, Current Opinion in Solid State and Materials Science 38 (2025) 101238.

[2] L. Cao, R. Lu, Z. Dou, M. Zheng, X. Han, Y. Hao, L. Zhang, J. Zhang, B. Liu, X. Li*, Understanding the influence of high-strength submicron precipitate on the fracture performance of additively-manufactured aluminum alloy, International Journal of Plasticity 188 (2025) 104306.

[3] L. Zhang#*, Z. Lu#, L. Cao, J. Wang, J. Zhang, X. Yang, Y. Cao, B. Liu, X. Li*, Synergistic enhancement of mechanical strength and thermal conductivity in a novel Al-Mg-Si-Zr-Ce alloy fabricated by powder bed fusion-laser beam, Materials & Design 256 (2025) 114305.

[4] K. Liu, L. Zhang*, L. Cao, T. Wang, J. Fu, J. Wang, J. Zhang, X. Yang, Y. Cao, B. Liu, X. Li*, Y. Gan, Binder jetting additive manufacturing of a 95W-3.5Ni-1.5Fe tungsten heavy alloy: Enhanced ductility and dynamic deformation mechanisms, Materials Science and Engineering: A 942 (2025) 148719.

[5] X. Qu, X. Li*, L. Zhang*, D. Yi, J. Wang, C. Wen, Z. Zhao, X. Gu, Y. Lin, B. Liu, Y. Cao, P. Bai, Effect of construction angles on the microstructure and mechanical properties of LPBF-fabricated 15-5 PH stainless steel, Materials Science and Engineering A 900 (2024) 146423.

作 者： 牛玉玲

責任編輯：李 娜

責任校對： 金 程

審 核： 張 彤

JME學院簡介

JME學院是由《機械工程學報》編輯部2018年創建，以關注、陪伴青年學者成長為宗旨，努力探索學術傳播服務新模式。首任院長是中國機械工程學會監事會監事長、《機械工程學報》中英文兩刊主編宋天虎。

歡迎各位老師掃碼添加小助理-暖暖為好友，由小助理拉入JME學院官方群！

歡迎關注JME學院視頻號~

尋覓合作伙伴

有一種合作叫做真誠，有一種發展可以無限，有一種伙伴可以互利共贏，愿我們合作起來流連忘返，發展起來前景可觀。關于論文推薦、團隊介紹、圖書出版、學術直播、招聘信息、會議推廣等，請與我們聯系。

感謝關注我們！我們《機械工程學報》編輯部將努力為您打造一個有態度、有深度、有溫度的學術媒體！

版權聲明：

來源：AMF增材制造前沿。

特別聲明：本微信轉載文章出于非商業性的教育和科研目的，如轉載稿涉及版權等問題，請立即聯系我們，我們會予以更改或刪除相關文章，保證您的權益。

微信投稿、轉載等：

聯系人：暖暖

電話：010-88379909

E-mail：jme@cmes.org

網 址：http://www.cjmenet.com.cn

官方微信號：jmewechat