中北大学李晓峰教授团队：激光粉末床熔融成形Al-Cu-Mg-Si合金热裂行为的有限元模拟 | AMF论文推荐

引用论文

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.

文章链接：

1研究背景及目的

Al-Cu系合金作为最早应用于工业的铸造铝合金，凭借其卓越的强度和耐热性脱颖而出，被广泛应用于国防、航空航天、汽车工业等领域。然而，Al-Cu合金在LPBF成形过程中，粉末床的快速熔化和凝固导致温度场变化剧烈，产生较大的温度梯度；由此产生的残余应力可能导致成形件出现变形、翘曲、开裂等缺陷，严重影响合金的成形质量和力学性能。本文将采用数值模拟的方法分析LPBF成形Al-Cu合金过程中热应力演变规律以及残余应力分布情况，从而为高性能、无裂纹Al-Cu合金的成形提供理论指导。

2论文亮点

（1）针对LPBF实际工况，建立了一种考虑粉末-固相转变、材料非线性特性、熔化潜热、熔池对流等因素的三维热-力耦合有限元模型；

（2）采用间接耦合的方式分析了LPBF成形过程中瞬态应力的分布及演化规律；

（3）通过组织观察以及残余应力测试，验证了三维热-力耦合分析模型的可靠性。

3试验方法

本文借助ANSYS WORKBENCH 数值仿真平台建立了一种多层多轨三维热-力耦合有限元模型，并使用生死单元技术模拟分析了LPBF成形过程中Al-Cu-Mg-Si合金的温度场及应力场的变化规律。

4结果

图1a为在210W、350mm/s下进行单层激光扫描时熔化层各轨道中心温度的热历史。由图可知，当激光束到达监测点时，温度急剧上升到熔点以上，然后迅速回落，形成一个非常尖锐的峰值形状。随着加工过程的进行，前一扫描轨道对后续未加工区域的预热作用逐渐稳定，温度变化幅度也趋于稳定。各轨道中心的温度变化率如图1b所示，随着轨道数量的增加，最大加热速率先增大后减小，最高达到10.27×10^6℃；最大冷却速率逐渐减小，最低为8.63×10^6℃，但差别不大。

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.

图2和图3分别为激光功率和扫描速率对LPBF成形Al-Cu合金冷却后等效应力分布的影响。由图可知，在加工过程结束后，已成形区域开始发生收缩变形，其收缩受到周围低温区材料的限制，使成形区域区产生拉应力。不同成形条件下打印层的残余应力分布趋势基本一致，即打印层上表面的残余拉应力较大，而打印层边缘的残余拉应力较小。但是对于基板来说，除了与打印层界面接触的位置残余应力较大外，整体残余应力较小。当此处的残余应力一旦超过合金的屈服强度时，打印层极易发生翘曲，甚至开裂现象。

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结论

（1）熔池内的热累积导致温度随着扫描轨道数量的增加而升高。

（2）当激光功率从150 W提高到240 W时，熔池的最高温度、熔池寿命和冷却速度都有所提高；当扫描速度从250 mm/s增加到400 mm/s时，冷却速率从6.11×10^6 ℃/s提高至9.86×10^6 ℃/s，而熔池的最高温度和最低寿命均逐渐降低。

（3）LPBF成形后，Al-Cu合金中的残余应力主要表现为拉应力，集中在打印层的中心区域。提高扫描速度、增加激光功率均会提高等效残余应力。

6前景与应用

本文建立了一种有效、可靠的可用于描述LPBF成形Al-Cu合金的三维热-力耦合有限元模型，通过该模型可快速分析成形过程中热应力演变规律以及残余应力分布情况，从而获得高性能、无裂纹Al-Cu合金的成形工艺窗口。

关于团队

作者介绍

李晓峰（通信作者），中北大学教授，入选国家级青年人才，强国青年科学家。主持国家自然科学基金等科研项目20余项，以一作/通讯发表SCI论文40余篇，4篇入选ESI高被引论文，单篇最高被引200余次；荣获山西省自然科学奖二等奖1项、中国有色金属工业科技奖二等奖1项；获第三届中国有色金属创新争先奖。兼任中国有色金属学会青年工作委员会委员、山西省粉末治金产业技术联盟理事长等学术职务。

近年团队发表文章

[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

责任编辑：李 娜

责任校对： 金 程

审 核： 张 彤

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