激光增材制造中預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)模型有助于飛機(jī)、汽車再修復(fù)領(lǐng)域發(fā)展

來源：江蘇激光聯(lián)


基于激光材料沉積的高價(jià)值部件修復(fù)是再制造領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)。由印度孟買理工學(xué)院和澳大利亞莫納什大學(xué)聯(lián)合博士培訓(xùn)項(xiàng)目支持的博士生Santanu Paul開發(fā)了一個(gè)新穎的完全耦合的冶金、熱和機(jī)械(金屬-熱機(jī)械)模型來預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力，并確定了一個(gè)臨界沉積高度，以確保沉積層中的壓縮殘余應(yīng)力。

全球工業(yè)生態(tài)的轉(zhuǎn)型對(duì)于確保地球系統(tǒng)對(duì)氣候敏感元素的穩(wěn)定性，同時(shí)保持可持續(xù)的工業(yè)增長至關(guān)重要。對(duì)于這樣的轉(zhuǎn)型，將制造資本基礎(chǔ)設(shè)施重組為工業(yè)產(chǎn)品的維修和再制造將減少人類對(duì)環(huán)境的影響并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長。在這方面，航空航天和汽車行業(yè)的維護(hù)、修理和MRO (maintenance, repair and overhaul) 的重要性可以從這些行業(yè)能顯著影響國家經(jīng)濟(jì)的其他部門這一事實(shí)來理解。即使按照保守估計(jì)，到2024年，汽車碰撞維修行業(yè)和飛機(jī) MRO 市場(chǎng)也預(yù)計(jì)會(huì)增長 18%（數(shù)據(jù)來源于Global Aircraft MRO Market (2017–2022). ）。汽車和航空航天領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展努力的核心是使用節(jié)能定向能量沉積 (Directed Energy Deposition, DED) 工藝（如激光增材制造）延長模具、發(fā)動(dòng)機(jī)零件和重要結(jié)構(gòu)部件的使用壽命。與基于熱噴涂或焊接的傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)相比，激光增材制造具有許多優(yōu)勢(shì)，這些技術(shù)不精確且具有臨時(shí)性。這些過程中精確和受控的沉積會(huì)產(chǎn)生相對(duì)狹窄的稀釋和熱影響區(qū)。然而，它會(huì)引起殘余應(yīng)力（鎖定在后處理應(yīng)力中）。請(qǐng)注意，殘余應(yīng)力（壓縮或拉伸）的性質(zhì)是影響加工部件完整性和質(zhì)量的最重要因素，因?yàn)樗�直接影響使用壽命。由于熱機(jī)械效應(yīng)和冶金轉(zhuǎn)變引起的應(yīng)變，會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。熱熔融材料在相對(duì)冷的基板上的沉積和隨后的傳導(dǎo)驅(qū)動(dòng)冷卻導(dǎo)致沉積層和基板層之間的不同熱膨脹和收縮。熱機(jī)械應(yīng)變?nèi)�決于溫度分布、熱膨脹系數(shù)以及包層和基板材料的彈塑性行為。此外，高速冷卻會(huì)導(dǎo)致冶金轉(zhuǎn)變，由于轉(zhuǎn)變引起的塑性和體積膨脹，這有助于產(chǎn)生額外的應(yīng)變�？梢宰⒁獾�，沉積層通常是最關(guān)鍵的區(qū)域，該區(qū)域的拉伸殘余應(yīng)力可以幫助裂紋擴(kuò)展。當(dāng)今激光增材制造面臨的最大挑戰(zhàn)之一是確定臨界沉積高度，以確保包層中的壓縮殘余應(yīng)力（從包層表面到包層-基板界面區(qū)域）。

在這項(xiàng)研究中，研究人員已經(jīng)通過3D完全耦合的金屬熱機(jī)械有限元模型在基板上調(diào)查了在基板上穿過激光沉積層的殘余應(yīng)力分布。在該分析中考慮了具有均勻強(qiáng)度移動(dòng)熱源的粉末的高斯分布。為了通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模型，在H13工具鋼上進(jìn)行激光包層（沉積）實(shí)驗(yàn)，其具有具有高釩含量的坩堝顆粒冶金（CPM）鋼粉。眾所周知，H13刀具鋼的模具是用CPM9V修復(fù)的。研究人員將模型預(yù)測(cè)的殘余應(yīng)力與在印度孟買理工學(xué)院進(jìn)行的微聚焦x光衍射(用于微尺度局部殘余應(yīng)力測(cè)量)和在澳大利亞核科學(xué)和技術(shù)組織進(jìn)行的中子衍射(用于測(cè)定體積平均殘余應(yīng)力)的結(jié)果進(jìn)行比較。

▲圖1. 使用中子和X射線衍射測(cè)量的有限元模型預(yù)測(cè)的殘余應(yīng)力的比較

在澳大利亞核科學(xué)和技術(shù)組織 (ANSTO) 的Kowari殘余應(yīng)力衍射儀上使用中子衍射測(cè)量激光包覆部件中的體積平均殘余應(yīng)力。為了測(cè)量，使用與1.68Å的中子波長的Fe-211反射。用于縱向措施的量大量固定為2mm×2mm×3mm。中子衍射測(cè)量的規(guī)格體積的限制限制了對(duì)包層區(qū)宏觀殘余應(yīng)力的測(cè)量。因此，使用Bruker D8發(fā)現(xiàn)具有300μm光斑尺寸的X射線衍射儀測(cè)量局部微級(jí)殘留應(yīng)力。圖1中提供了中子和微聚焦X射線衍射測(cè)量的細(xì)節(jié)。

▲圖2. (a). 確定沉積臨界高度的方法。(b). 稀釋和節(jié)點(diǎn)溫度變化。(c). 比較不同的包層高度以識(shí)別沉積臨界高度。(d). 界面凝固和殘余應(yīng)力的不同包層高度

為了從本文提出的模型中獲得臨界高度，試驗(yàn)高度從600μm增加到600μm至690μm，粉末進(jìn)料速率為5g / min，噴嘴直徑和3mm的光斑尺寸（參見圖2(c)）。完全熔化的激光功率為600μm的沉積高度為1500W，而690μm沉積高度，激光功率為2250W。

可以注意到，基于質(zhì)量的守恒，掃描速度將改變每個(gè)試驗(yàn)包層高度。即使夾層的大部分在壓縮殘余應(yīng)力下，封端襯底界面也處于拉伸應(yīng)力，600和630μm沉積高度。然而，如果包層高度增加到660μm，則界面處的殘余應(yīng)力也變?yōu)閴嚎s。如果包層高度進(jìn)一步增加到690μm，則界面處的殘余應(yīng)力保持壓縮，盡管較高的幅度�？梢宰⒁獾剑�熔融深度基本上增加，基材中的稀釋度較高，這是有害的。因此，已經(jīng)鑒定為臨界沉積高度，660μm（以1800W的激光功率為1800W，相應(yīng)的掃描速度為354mm / s），任何較低或更高的包層高度將導(dǎo)致不利的沉積條件。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用完全耦合的金屬熱機(jī)械模型預(yù)測(cè)激光包覆標(biāo)本的橫截面上的殘余應(yīng)力的變化，以證明存在關(guān)鍵沉積高度的存在。低于臨界高度的任何沉積高度將在界面中產(chǎn)生有害的拉伸殘余應(yīng)力，而高于臨界沉積高度將導(dǎo)致不希望的過度稀釋。還發(fā)現(xiàn)，在沉積的臨界高度處，凝固率最小。該研究還強(qiáng)調(diào)了由于冶金轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的應(yīng)變對(duì)修復(fù)樣品橫截面上最終殘余應(yīng)力變化的重要性。該研究解決了增材制造中最重要的問題之一，即存在臨界沉積高度，其能夠在沉積層和界面中產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。

本研究可以構(gòu)成“科學(xué)支持技術(shù)解決方案”的基礎(chǔ)，用于提高使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的部件的質(zhì)量。可以注意到，如果在該沉積高度下進(jìn)行恢復(fù)，則將增強(qiáng)恢復(fù)部件的使用壽命。這可以通過節(jié)能激光增材制造來鋪平可持續(xù)恢復(fù)，從而優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)的總材料循環(huán)。

▲圖3. Anna Paradowska博士和Mark Reid站在Kowari應(yīng)變掃描儀附近。圖片來源：澳大利亞核科學(xué)和技術(shù)組織（ANSTO）

本文來源：Santanu Paul et al. Critical deposition height for sustainable restoration via laser additive manufacturing, Scientific Reports (2018). DOI: 10.1038/s41598-018-32842-z