【科普系列】金屬材料激光增材制造應力變形(轉)

閱讀次數:300     發布時間:2019-12-12

激光增材制造技術利用計算機將零件三維CAD模型進行分層切片,以高能量密度激光束為熱源將材料熔化凝固,逐層堆積形成實體零件。激光增材制造技術可以實現多種材料、復雜結構零件的致密成形,綜合力學性能優于鑄造件,可以顯著縮短制造周期,適用于新產品的開發、復雜零件的定制生產。激光增材制造技術主要包括同軸送粉式激光金屬沉積技術和鋪粉式選區激光熔化技術。

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圖1  同軸送粉式激光金屬沉積技術和鋪粉式選區激光熔化技術 (圖片來源于網頁)

 

目前,激光增材制造技術已實現鐵基合金、鈦合金、鋁合金、鎳基高溫合金、鈷基合金、銅合金、鎢、金等金屬材料的加工。隨著激光制造裝備技術的快速發展,激光增材制造技術已廣泛應用于航空航天、醫療器械、汽車制造和模具制造等領域。

 

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圖2  激光增材制造技術的應用  (圖片來源于網頁)

 

金屬激光增材制造過程由于材料經歷快速加熱和冷卻,容易產生復雜的應力。殘余應力較大時將影響零件尺寸和拉伸、疲勞性能,嚴重的將導致零件產生變形和開裂。目前激光增材制造過程中的應力變形控制主要依靠經驗、可重復性差,特別是高端裝備領域對大型復雜構件的高精度、高質量成形具有迫切的需求。因此,殘余應力導致零件變形開裂的“控形”問題是激光增材制造過程中亟待解決的問題。

 

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圖3  激光增材制造結構變形、開裂缺陷

 

高性能金屬構件激光增材制造應力變形的研究

金屬激光增材制造過程殘余應力變形的形成、演變過程機理的相關基礎理論研究已逐漸完善,為了實現激光增材過程中應力變形的調控,目前的研究主要集中在激光增材應力變形仿真預測分析,基于此為后續的應力變形調控提供指導。有限元模擬計算對激光增材制造過程的應力計算有巨大的優勢,但是當零件的尺寸較大時,有限元計算面臨計算量過大而無法滿足實際需要的情況。為了顯著提高有限元模擬的計算效率和準確性,針對大型復雜結構激光增材過程應力變形主要采用自適應網格、固有應變法、多尺度仿真分析等方法對其進行研究。

 

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圖4  激光增材制造過程多尺度仿真計算

 

高性能金屬構件激光增材制造應力變形檢測技術

殘余應力及變形控制一直是困擾大型結構件激光增材制造成形的一大問題,殘余應力和變形的測量技術對應力演變、變形開裂行為的分析有著非常重要的意義。目前,殘余應力測量方法主要的有損方法有:分割全釋放法,逐層切削法、電化學腐蝕剝層法,鉆孔法及基于鉆孔法的云紋干涉法和全息干涉法等;無損測試方法有:X射線衍射法、磁性法、超聲法、中子衍射法等方法,各種方法的特點及應用范圍。變形量的測試方法主要有:位移傳感測量、曲率法、全息成像技術、三維光學動態應變測量、全場應變測量系統等方法。

以上殘余應力變形測試方法各有優缺點,應根據實際情況選擇一種或多種測試方法進行測量研究。由于激光增材制造的殘余應力、變形是一個逐漸累積、重分布的過程,對其過程的實時監測進而實現工藝參數反饋控制將是未來研究的主要方向。同時,必須針對金屬增材制造成形件的特殊性開展相應檢測方法及規范標準的研究。

 

高性能金屬構件激光增材制造應力變形調控技術

    激光增材制造過程中由于溫度梯度較大且凝固行為復雜,較大的熱應力是引起成形結構變形、開裂的主要原因,其次復雜的材料成分、凝固過程、材料組織形態、力學性能等均對應力開裂行為有較大的影響,因此為了解決激光增材過程中溫度梯度大、材料易開裂等問題,研究人員已開發多種方法用于控制激光增材成形件的應力變形問題。

 

粉體材料設計調控應力變形

金屬激光增材制造過程中的應力變形行為與材料的凝固過程、塑性變形能力、相變行為等相關,通過優化設計材料的組分,可以從根本上改變材料的凝固溫度點、相變溫度點,進而改變激光增材金屬凝固過程熱應力和相變應力的形成;此外新材料的設計開發可以改變材料的導熱系數、熱膨脹系數,通過改變傳熱行為影響溫度梯度分布及膨脹收縮行為實現熱應力的調控。

 

工藝參數調控應力變形

激光增材制造過程是一個周期性、非穩態、短時非平衡循環過程,激光功率、掃描速率、粉層厚度、層間溫度、掃描策略等參數通過影響成形件的溫度歷程,影響成形件應力變形的演化。激光增材制造過程通過優化工藝參數可以實現應力累積過程的控制,減小變形開裂傾向。

 

預熱緩冷及重熔調控應力變形

激光增材制造過程中熱應力主要是由于不均勻的溫度梯度分布和快速冷卻凝固造成的,因此為了解決溫度梯度較大的問題,研究人員提出了基板預熱、成形倉體氣氛預熱、多光束、耦合光束、光束重復掃描等多種方法。激光增材制造過程通過控制成形過程的溫度梯度,可實現殘余應力變形的調控。

 

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圖5  激光增材制造典型預熱方法

 

結構設計調控應力變形

激光增材成形過程中,由于成形基板、支撐結構、結構自身的約束作用,同時由于成形結構、支撐結構對成形過程中導熱的影響,對成形實體會產生機械拘束應力并會影響整體殘余應力的分布。結構優化設計主要包括結構拓撲優化改變材料分布使結構過渡均勻、支撐結構優化減小應力變形,通過結構設計來減小或改善殘余應力的分布是一種新的應力調控思路。

 

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圖6  激光增材制造支撐結構設計及結構優化

 

輔助外場調控應力變形

激光增材制造過程中通過控制工藝參數、掃描策略等方式只能在一定程度上改善殘余應力的分布、減小殘余應力,但是由于激光增材多層堆積過程應力的累積,特別是復雜大結構應力分布復雜、應力累積較大,因結構尺寸效應極易造成成形結構的變形開裂。為了進一步控制殘余應力變形,研究人員把其他物理能量場,如超聲波、磁場、激光沖擊波引入到激光增材制造過程中,對激光增材熔池凝固行為進行輔助干預,改變其微觀組織和應力分布,實現激光增材制造應力變形的調控。

 

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圖7 超聲輔助激光增材制造系統示意圖

 

后處理調控應力變形

激光增材成形結束后內部仍存在大量的殘余應力,在支撐、基板去除后成形結構會產生變形甚至開裂。為使增材結構件滿足后期尺寸及使用性能要求,需要對其進行后處理減小殘余應力、提高力學性能,常用的后處理技術主要有整體/局部退火熱處理。后熱處理工藝是目前減小激光增材結構整體殘余應力最有效的措施。

 

激光增材制造應力變形調控的幾點思考

隨著激光增材制造技術廣泛應用于大型復雜結構的制造,殘余應力引起的變形開裂問題將限制其廣泛應用,因此,開展激光增材制造殘余應力變形調控技術的研究有著非常重要的意義。今后激光增材制造應力變形調控的研究可集中在以下方面:

(1)針對高性能金屬材料進一步深化研究激光增材過程熱-凝固-應力變形演化行為及耦合機制,建立激光增材成形結構的開裂判據,并提出相應的應力調控方法及預防變形開裂的工藝準則。

(2)結合結構件服役需求,基于材料基因組技術設計開發新型的低熱膨脹系數、高強韌的金屬材料、金屬基復合材料、梯度材料等;同時充分發揮激光增材可成形復雜結構的優勢,在結構設計過程中考慮結構因素對增材制造過程應力變形及使用性能的影響。

(3)開發新型的多激光耦合技術、激光陣列成形技術、激光復合增材制造技術,在金屬結構件成形過程中控制殘余應力的疊加累積;同時結合過程監測控制技術實現過程應力變形檢測,建立相應的調控策略,實現激光增材制造過程應力變形的實時調控。

(4)進一步完善激光增材制造殘余應力變形的檢測技術,提高殘余應力測試精度和三維殘余應力檢測能力;開發激光增材制造多物理場、多尺度數值模擬技術,提高激光增材應力變形的準確性及計算效率,并應用于結構設計、材料設計、工藝預測、組織性能預測等激光增材“全鏈條”制造過程。

 

 

原文出處:

金屬材料激光增材制造應力變形研究進展

陳勇, 陳輝, 姜亦帥, 汪倩, 吳影, 熊俊, 董世運

《材料工程》2019, 47 (11): 1-10.  



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