激光增材制造中预测残余应力的预测模型有助于飞机、汽车再修复领域发展

来源：江苏激光联


基于激光材料沉积的高价值部件修复是再制造领域的一项革命性技术。由印度孟买理工学院和澳大利亚莫纳什大学联合博士培训项目支持的博士生Santanu Paul开发了一个新颖的完全耦合的冶金、热和机械(金属-热机械)模型来预测残余应力，并确定了一个临界沉积高度，以确保沉积层中的压缩残余应力。

全球工业生态的转型对于确保地球系统对气候敏感元素的稳定性，同时保持可持续的工业增长至关重要。对于这样的转型，将制造资本基础设施重组为工业产品的维修和再制造将减少人类对环境的影响并促进经济增长。在这方面，航空航天和汽车行业的维护、修理和MRO (maintenance, repair and overhaul) 的重要性可以从这些行业能显著影响国家经济的其他部门这一事实来理解。即使按照保守估计，到2024年，汽车碰撞维修行业和飞机 MRO 市场也预计会增长 18%（数据来源于Global Aircraft MRO Market (2017–2022). ）。汽车和航空航天领域可持续发展努力的核心是使用节能定向能量沉积 (Directed Energy Deposition, DED) 工艺（如激光增材制造）延长模具、发动机零件和重要结构部件的使用寿命。与基于热喷涂或焊接的传统修复技术相比，激光增材制造具有许多优势，这些技术不精确且具有临时性。这些过程中精确和受控的沉积会产生相对狭窄的稀释和热影响区。然而，它会引起残余应力（锁定在后处理应力中）。请注意，残余应力（压缩或拉伸）的性质是影响加工部件完整性和质量的最重要因素，因为它直接影响使用寿命。由于热机械效应和冶金转变引起的应变，会产生残余应力。热熔融材料在相对冷的基板上的沉积和随后的传导驱动冷却导致沉积层和基板层之间的不同热膨胀和收缩。热机械应变取决于温度分布、热膨胀系数以及包层和基板材料的弹塑性行为。此外，高速冷却会导致冶金转变，由于转变引起的塑性和体积膨胀，这有助于产生额外的应变。可以注意到，沉积层通常是最关键的区域，该区域的拉伸残余应力可以帮助裂纹扩展。当今激光增材制造面临的最大挑战之一是确定临界沉积高度，以确保包层中的压缩残余应力（从包层表面到包层-基板界面区域）。

在这项研究中，研究人员已经通过3D完全耦合的金属热机械有限元模型在基板上调查了在基板上穿过激光沉积层的残余应力分布。在该分析中考虑了具有均匀强度移动热源的粉末的高斯分布。为了通过实验验证该模型，在H13工具钢上进行激光包层（沉积）实验，其具有具有高钒含量的坩埚颗粒冶金（CPM）钢粉。众所周知，H13刀具钢的模具是用CPM9V修复的。研究人员将模型预测的残余应力与在印度孟买理工学院进行的微聚焦x光衍射(用于微尺度局部残余应力测量)和在澳大利亚核科学和技术组织进行的中子衍射(用于测定体积平均残余应力)的结果进行比较。

▲图1. 使用中子和X射线衍射测量的有限元模型预测的残余应力的比较

在澳大利亚核科学和技术组织 (ANSTO) 的Kowari残余应力衍射仪上使用中子衍射测量激光包覆部件中的体积平均残余应力。为了测量，使用与1.68Å的中子波长的Fe-211反射。用于纵向措施的量大量固定为2mm×2mm×3mm。中子衍射测量的规格体积的限制限制了对包层区宏观残余应力的测量。因此，使用Bruker D8发现具有300μm光斑尺寸的X射线衍射仪测量局部微级残留应力。图1中提供了中子和微聚焦X射线衍射测量的细节。

▲图2. (a). 确定沉积临界高度的方法。(b). 稀释和节点温度变化。(c). 比较不同的包层高度以识别沉积临界高度。(d). 界面凝固和残余应力的不同包层高度

为了从本文提出的模型中获得临界高度，试验高度从600μm增加到600μm至690μm，粉末进料速率为5g / min，喷嘴直径和3mm的光斑尺寸（参见图2(c)）。完全熔化的激光功率为600μm的沉积高度为1500W，而690μm沉积高度，激光功率为2250W。

可以注意到，基于质量的守恒，扫描速度将改变每个试验包层高度。即使夹层的大部分在压缩残余应力下，封端衬底界面也处于拉伸应力，600和630μm沉积高度。然而，如果包层高度增加到660μm，则界面处的残余应力也变为压缩。如果包层高度进一步增加到690μm，则界面处的残余应力保持压缩，尽管较高的幅度。可以注意到，熔融深度基本上增加，基材中的稀释度较高，这是有害的。因此，已经鉴定为临界沉积高度，660μm（以1800W的激光功率为1800W，相应的扫描速度为354mm / s），任何较低或更高的包层高度将导致不利的沉积条件。

在这项研究中，研究人员使用完全耦合的金属热机械模型预测激光包覆标本的横截面上的残余应力的变化，以证明存在关键沉积高度的存在。低于临界高度的任何沉积高度将在界面中产生有害的拉伸残余应力，而高于临界沉积高度将导致不希望的过度稀释。还发现，在沉积的临界高度处，凝固率最小。该研究还强调了由于冶金转变而产生的应变对修复样品横截面上最终残余应力变化的重要性。该研究解决了增材制造中最重要的问题之一，即存在临界沉积高度，其能够在沉积层和界面中产生压缩残余应力。

本研究可以构成“科学支持技术解决方案”的基础，用于提高使用增材制造技术生产的部件的质量。可以注意到，如果在该沉积高度下进行恢复，则将增强恢复部件的使用寿命。这可以通过节能激光增材制造来铺平可持续恢复，从而优化工业生产的总材料循环。

▲图3. Anna Paradowska博士和Mark Reid站在Kowari应变扫描仪附近。图片来源：澳大利亚核科学和技术组织（ANSTO）

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