激光增材制造鎳基718合金的熱力學過程模擬及實驗驗證

來源： 多尺度力學

激光熔覆在金屬構(gòu)件定制制造、再制造和修復方面具有廣闊前景，但是激光熔覆增材制造技術(shù)在加工過程中頻繁的熔化和凝固不可避免會產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在往往會導致構(gòu)件幾何形狀的差異和最終產(chǎn)品的不合格。Haiyan Zhao等人采用混合有限元方法對鎳基718合金多層熔粉快速成形激光熔覆溫度場、殘余應(yīng)力和變形進行了有效預測，并與實驗結(jié)果進行對照。數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的殘余應(yīng)力分布、構(gòu)件變形吻合效果好。在熔覆層附近，殘余應(yīng)力在成形板的橫向分力約為373±5 MPa，性質(zhì)為拉應(yīng)力，在遠離中心點后逐漸減小，直至轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力的有限元模擬結(jié)果與X射線衍射儀測試結(jié)果吻合較好。殘余應(yīng)力引起的基板變形導致基板從零件中部開始發(fā)生翹曲，有限元模擬結(jié)果與三坐標測量儀測量的實驗結(jié)果也有較高吻合度。

圖1 殘余應(yīng)力和變形測量的實驗設(shè)備及過程圖

圖1展示了殘余應(yīng)力及零件變形的測量儀器，同時標注了殘余應(yīng)力的測量區(qū)域，即圖1(d)所示的中間截面。

圖2 混合有限元數(shù)值計算方法(a) 加熱、冷卻循環(huán)計算方案.(b)計算時長

圖2展示的是不同計算方案在的計算時長。其中混合有限元算法在加熱階段采用顯式算法，在冷卻階段采用隱式算法。采用混合有限元算法較單獨的顯式算法和隱式算法而言能夠大幅提高計算效率。

圖3 不同打印層溫度曲線(a)第一層.(b)第五層.(c)第八層

圖3展示了增材制造過程中不同打印層的溫度曲線，可以看到增材制造過程有非常典型的溫度循環(huán)，且越底層的打印層經(jīng)歷的溫度循環(huán)越多。

圖4 (a)橫向和縱向殘余應(yīng)力.(b)模擬結(jié)果實驗驗證

圖4展示了對增材制造過程中不同方向（包括平行于增材制造方向和垂直于增材制造方向）殘余應(yīng)力的模擬，可以看到不同方向的殘余應(yīng)力在大小和分布上均有差異。圖4(b)是對數(shù)值模擬結(jié)果的實驗驗證，模擬結(jié)果于實驗結(jié)果吻合度高。

圖5 (a)混合有限元算法對變形的模擬.(b)實驗結(jié)果.(c)實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

圖5展示了混合有限元算法對變形的模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合。

相關(guān)研究成果以“Thermomechanical Process Simulation and Experimental Verification for Laser Additive Manufacturing of Inconel ® 718”為題發(fā)表在Materials (2023, 16, 2595)上，論文第一作者為Muhammad Qasim Zafar，通訊作者為Haiyan Zhao。

論文鏈接：

https://doi.org/10.3390/ma16072595