LLNL研究人員開發(fā)出測量 3D 打印金屬零件殘余應力的方法

來源： 江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

導讀：來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員開發(fā)了一種有效的方法來測量粉末床熔融增材制造生產(chǎn)的金屬零件的殘余應力。

增材制造 (AM) 是指能夠從前體材料生產(chǎn)三維結構的一系列逐層構建方法。雖然這項研究的重點是基于金屬的粉末床融合AM，增材制造方法已在金屬、聚合物和陶瓷中得到應用，因為它們能夠使用單一自動化過程制造復雜的凈形零件，且廢料很少。盡管 AM 技術已有二十多年的發(fā)展，但大規(guī)模采用 AM 方法仍面臨重大挑戰(zhàn)。實現(xiàn)快速加工時間、全密度、相對無應力的結構以及良好的微觀結構和機械完整性之間的固有權衡已經(jīng)產(chǎn)生了對工藝優(yōu)化的需求。

在粉末床熔融 AM 中，通過受控激光分布并選擇性熔化非常薄的粉末層；重復此過程，直到制造出完整的零件。必須選擇粉末尺寸和包裝、材料、激光設置（功率、光斑尺寸和速度）和掃描參數(shù)（圖案、取向角和重疊），以便粉末層在局部完全熔化并粘合到基材上。然而，激光光斑附近的大熱梯度的發(fā)展快速冷卻以及該過程的重復會引起局部壓縮和拉伸，從而導致 AM 部件具有顯著的殘余應力。構建過程中存在的熱梯度受許多工藝參數(shù)（零件尺寸、構建時間、構建板/粉末床溫度、氣氛、粉末熱特性、熔池尺寸等）的影響。除了對增材制造零件的機械性能和結構完整性的潛在影響外，加工過程中產(chǎn)生的殘余應力可能會導致局部變形，從而導致凈形損失、與支撐結構分離或增材制造零件失效。

雖然使用高能激光束來融合金屬粉末顆粒能夠生產(chǎn)出高質量的零部件，但殘余應力是制造過程中的一個主要問題。這是因為最后一個熔點附近的溫度變化很大——快速加熱和冷卻——并且這個過程的重復會導致局部膨脹和收縮，這些因素會導致殘余應力。

除了對機械性能和結構完整性的潛在影響外，殘余應力還可能在加工過程中引起變形，從而導致凈形狀損失、與支撐結構分離，并可能導致增材制造 (AM) 零件和組件的故障。

由工程師 Amanda Wu 領導的 LLNL 研究團隊開發(fā)了一種精確的殘余應力測量方法，該方法將傳統(tǒng)的應力消除方法（破壞性分析）與現(xiàn)代技術相結合：數(shù)字圖像相關 。該過程能夠快速準確地測量 AM 零件中的表面級殘余應力。

該研究中所有 AM 樣品均使用 316L 不銹鋼粉末（Concept Laser，CL-20）和 30μm 粉末層進行處理。L形矩形和四邊形棱鏡（圖1）樣品是使用 Concept Laser M2（50 μm，D4Sigma 高斯光束）來構建。

▲圖1. 樣品示意圖和尺寸以及竣工的水平和垂直棱鏡樣品

基于激光的 AM 會產(chǎn)生不均勻的形態(tài)，有時會產(chǎn)生各向異性晶粒結構，通常具有一定程度的孔隙率。使用不同掃描策略在 400 W 下加工的 316L 不銹鋼試樣的微觀結構如圖2 所示。這里，黑點代表加工過程中形成的孔。熔池線非外延生長在圖 2(c) 和 (f) 中很明顯。

▲圖2. (a) 到 (c) 5 × 5 mm 島狀試樣和 (d) 到 (f) 連續(xù)掃描試樣的橫截面圖像 (SEM)，描繪了以 400 W 和 1800 mm/s 處理的晶粒結構和孔隙率

“L” 形試樣 DIC 和中子衍射測量

為了驗證 DIC 的結果，該團隊與洛斯阿拉莫斯國家實驗室 (LANL) 合作，使用稱為中子衍射 (ND) 的方法進行殘余應力測試。該技術由 LANL 研究員 Donald Brown 執(zhí)行，通過檢測入射中子束的衍射來測量材料深處的殘余應力。中子的衍射束能夠檢測由于應力引起的原子晶格間距的變化。

為了更好地了解粉末床熔融 AM 期間建立的面內(nèi)殘余應力分布，L 形試樣（400 W，1800 mm/s，5 × 5 mm 島狀圖案，與零件邊緣成 45 度角）的中子衍射測量是 作為圖3中位置的函數(shù)提供。在零件的頂面附近（圖3(a) 到 (c)），存在顯著的軸向殘余應力。沿最大零件幾何形狀的平面內(nèi)殘余應力最大 - x 方向上的 σ xx 和 y 方向上的 σ yy。面內(nèi)殘余應力從高（圖3（b））到較低和接近零（圖3（e））拉伸值的演變轉化為“剝離”（從頂面觀察時向下彎曲） 在對這些部分進行水平切片時觀察到。

▲圖3. 通過中子衍射在距樣品頂部 ((a) 到 (c)) 4 mm 和 ((d) 到 (f)) 15 mm 處測量的殘余應力分量。

盡管它的準確度很高，但 ND 很少用于測量殘余應力，因為美國只有三個聯(lián)邦研究實驗室——LANL 就是其中之一——擁有該分析所需的高能中子源。LLNL 團隊的 DIC 結果得到了 ND 實驗的驗證，表明 DIC 是一種可靠的方法來測量粉末床融合 AM 部件中的殘余應力。

他們的發(fā)現(xiàn)首次提供了定量數(shù)據(jù)，顯示增材制造部件中的內(nèi)部殘余應力分布是激光功率和速度的函數(shù)。該團隊證明，減少激光掃描矢量長度而不是使用連續(xù)激光掃描可以調節(jié)加工過程中的溫度變化，以減少殘余應力。此外，結果表明，相對于 AM 部件的最大尺寸旋轉激光掃描矢量也有助于減少殘余應力。該團隊的結果證實了其他研究人員得出相同結論的定性數(shù)據(jù)。

通過使用 DIC，該團隊能夠產(chǎn)生可靠的定量數(shù)據(jù)，使 AM 研究人員能夠優(yōu)化校準工藝參數(shù)，以減少制造過程中的殘余應力�？梢哉{整激光設置（功率和速度）和掃描參數(shù)（圖案、方向角和重疊）以生產(chǎn)更可靠的零件。此外，DIC 允許 Lawrence Livermore 團隊評估激光功率和速度的耦合效應，并觀察次表層加熱對殘余應力發(fā)展的潛在有益影響。

LLNL 的發(fā)現(xiàn)最終將用于幫助鑒定使用粉末床融合 AM 工藝制造的金屬部件的特性。該團隊的研究有助于建立 LLNL 設計的其他認證流程，以提高 3D 打印零件和組件的質量和性能。

▲Amanda Wu 使用數(shù)字圖像相關性對增材制造的零件進行成像