引言

鈦合金增材制造技術因其在復雜構件成形方面的獨特優勢，已成為航空航天、生物醫療等領域的關鍵制造工藝[1-2]。與傳統減材制造不同，該技術通過逐層熔融沉積鈦合金絲材實現近凈成形，其中焦耳熱分配控制直接影響熔池穩定性與成形質量[3]。

當前研究面臨的核心挑戰在于:預熱不足導致層間結合力弱化(孔隙率>5%)，降低力學性能[4];熱積累過量，引發碳化燒損(溫度>1700℃時，燒蝕深度波動±18%)[5]，影響尺寸精度;真空環境下熱耗散機制不明確，加劇殘余應力聚集(最大等效應力達4.02x10⁸Pa[6]}。為此，本文提出基于焦耳

熱協同調控的優化方法:建立瞬態熱-力耦合模型(ANSYS平臺)，量化真空條件下預熱溫度場(基準值1638℃)與熔融熱的動態分配關系;設計多參數對比試驗(激光功率1~10kW)，揭示配比對燒結深度、形變及應力的影響機制;基板尺寸10mm 10mmx3mm，絲材截面2mmx2mmx0.03mm，采用混合網格技術(掃描區六面體網格0.025mm，非掃描區自適應網格)平衡計算效率與精度[7-9]。該研究為高精度鈦合金絲材增材制造提供理論支撐，對解決熱致缺陷、增強成形件服役性能具有重要的工程應用價值。

1、溫度場有限元分析

1.1模型建立

基板是一個尺寸為10mm10mm3mm的長方體(最底部灰色部分)，絲材打印的模型為100個熔融并連接在一起的尺寸為1mmx1mmx1mm的正方體，一共累計10層[10-12]。在基板一個邊的中心建立三維坐標系O(0，0，0)，并使正方體一邊的中點在坐標原點，使其形成一個單道多層的幾何模型，如圖1所示。

1.2 3D打印溫度場

在3D打印第1層打印完成之后，最高溫度區域逐漸向試件的中部移動。這是因為在打印過程中，試件內部散熱困難，隨著打印高度增加，溫度逐漸向試件的下部傳遞，同一等溫線所包圍的區域越來越大，熱影響區逐漸增大。這是由于每進行下一層打印時，下層打印溫度均會傳遞給本層，不斷地進行熱積累，熱影響區就越來越大。

如圖2所示，該工況下激光功率處于試驗設定的最高水平(10kW)，熔融熱在熱分配中占比更高(1:2)。打印溫度在前幾秒內迅速攀升至3200℃的高位峰值，且每1層打印啟動時均對應1個明顯的溫度峰值。由于高功率輸入與熔融熱占優的分配模式，熱積累效應極為顯著，隨著打印層數增加，熔融熱不斷疊加，溫度持續升高，全程維持在較高水平，后期溫度接近鈦合金燒損臨界區間，熱穩定性較差。

如圖3所示，激光功率降至7kW，預熱與熔融熱分配比調整為2:3，預熱貢獻占比相較于10kW工況有所提升。溫度在前幾秒內仍能快速升至3200℃，每1層打印啟動時的溫度峰值特征依然明顯，但受功率降低與預熱占比優化的影響，后續每層打印帶來的溫度疊加幅度較10kW工況更為平緩，熱積累速率有所減緩，溫度整體呈穩步上升趨勢，未出現急劇攀升的現象。

如圖4所示，激光功率進一步降至5kW，預熱與熔融熱分配比優化為3:4，預熱作用得到進一步強化。打印溫度大約在10s后達到3200℃，但后續隨著打印層數增加，得益于較低的功率輸入與更高的預熱占比，熔融熱疊加效應被有效緩解，溫度峰值的提升幅度明顯減小，溫度場波動范圍收窄，整體熱穩定性優于高功率(10kW，7kW)工況，熱積累現象得到初步控制。

如圖5所示，激光功率為3kW，預熱與熔融熱分配比達到1:1的均衡狀態。溫度在前幾秒內迅速升至1500℃后，由于熱輸入與熱擴散效率形成良好匹配，后續每層打印時的溫度疊加效應溫和，溫度場整體波動較小,未出現明顯的大幅升溫趨勢。全程溫度圍繞鈦合金理想打印溫度區間( 1 638℃左右)波動，熱積累效應最弱，溫度場穩定性最佳。

如圖6所示，激光功率為試驗設定的最低值(1kW)，且預熱在熱分配中占主導地位(2:1)，熔融熱輸入相對不足。打印溫度大約在15s時升至1300℃，但后續隨著打印層數增加，受低功率與高預熱占比的影響，熔融熱補充不足，溫度提升速率顯著放緩，甚至出現升溫趨緩的態勢。整體溫度水平低于其他功率工況，熱積累效應最弱，因熔融熱不足，故溫度難以穩定維持在鈦合金理想熔融區間。

可見每一層打印都會疊加溫度直至打印完成，在打印過程中因熔融熱不同導致平均打印溫度各不相同，最接近金屬鈦合金的打印溫度為1600℃左右，熔融熱溫度與預熱溫度分配比為1:1時，打印件質量最好。

2、應變場分析

ANSYS仿真可得到鈦合金在高溫下的應力場云分布圖，可反映材料在特定工況下的應力狀態。在3D打印過程中，鈦合金材料容易受到熱應力的影響。在SLM打印過程中，由于激光是逐層打印的，導致各層的殘余應力分布不均勻。圖7~9為應力變化圖。

在ANSYS鈦合金熱應力仿真分析時除了應力云圖外，還可得到鈦合金在高溫下的形變曲線圖，如圖10所示。該圖可以更準確地反映出在某時刻的應力應變狀況，可以更好地了解打印件的形變量。

圖11中的等效彈性應變曲線為3D打印工藝優化提供了明確的量化依據:曲線中最大應變通常出現在激光掃描熔池中心的瞬間，若持續超過材料臨界值，則預示過熱風險，易引發微裂紋，此時應降低激光功率或提升掃描速度;最小應變反映層間冷卻后的彈性恢復狀態，若該值偏高，則說明冷卻不足，需延長層間時間或加強散熱;而平均應變則表征全過程的熱應力水平，可通過預熱基板或采用分區掃描策略使其穩定在更低區間，從而抑制翹曲、提升尺寸一致性。整條曲線實質上構建了一個“應變-工藝”閉環:通過實時監測應變特征并反向調控熱輸入與冷卻節奏，即可實現從被動成形到主動控性的跨越，這對航空航天等高精度金屬增材制造具有重要指導意義。

一般來說，隨著溫度升高，材料的塑性變形能力增加，導致材料的破壞強度降低，從而使等效應力降低。此外，在高溫下由于材料內部結構的變化，也會影響材料的強度和耐久性，導致對等效應力的影響，如圖12所示。

在預熱和熔融熱分配比為1:1時，打印件的等效彈性應變為2.14x10^-3，等效應力為4.0197x 10°Pa，總形變量為0.05746mm。可以看出，鈦合金在溫度升高的情況下，總形變量越來越大。這是由于隨溫度升高，材料的熱膨脹系數越來越大，致使打印件的尺寸隨之增大。打印件內部的熱積累也會使打印件內部的應力變化，進一步導致材料形變。因此，選擇適宜的激光功率和加入一定的冷卻時間會使成形件擁有更好的質量。

3、結論

本文通過建立真空環境下鈦合金絲材增材制造的焦耳熱預熱-熔融熱分配模型，系統研究了熱分配比對成形質量的影響，主要結論為:

(1)在打印過程中因熔融熱不同導致平均打印溫度各不相同，最接近金屬鈦合金的打印溫度為

1600℃左右，熔融熱與預熱分配比為1:1時，打印件質量最好。

(2)在預熱和熔融熱分配比例為1:1時，打印件的等效彈性應變為2.14x10^-3，等效應力為4.0197x 10°Pa，總形變量為0.05746mm。

(3)本研究證實焦耳熱預熱分配協同控制是提升真空鈦合金打印質量的核心途徑，為高精度航空航天部件制造提供理論支撐。

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（注，原文標題：金屬鈦合金絲材3D打印焦耳熱預熱和熔融熱分配分析_張偉博）

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