基于激光冲击复合增材制造工艺残余应力的热和机械消除模型

来源： 纳米技术与精密工程

金属的增材制造（AM）经常导致具有不利机械性能的部件。激光冲击（LP）是一种高应变率机械表面处理，可锤击工件并产生有利的机械性能。冲击应变使表面硬化并赋予压缩残余应力，从而改善材料的机械性能。本文中来自股神巴菲特(Warren Buffett)的母校内布拉斯加林肯大学（USA）机械和材料工程学院的G. Madireddy博士研究了LP在使用有限元分析的3D打印金属的逐层处理中的作用。

目的是了解由循环耦合印刷和喷丸引起的热和机械消除后的时间和空间残余应力发展。结果表明，层冲击频率是影响残余应力重新分布的关键工艺参数，并且与印刷过程产生的热量高度相互依赖。发现存在有利地增强机械性能的最佳混合工艺条件。通过这项研究，hybrid-AM迎来了AM的下一个发展步骤，并有可能彻底改变高价值金属制品的生产方式。

激光冲击强化(Laser Peening , LP)技术，也称激光喷丸技术。是采用高功率密度(GW/cm量级)、短脉冲(10～30ns量级)的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(>10 K)、高压(>1GPa)等离子体。该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生垂直于材料表面的压应力。

激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。