激光增材制造鎳基718合金的熱力學(xué)過(guò)程模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

來(lái)源： 多尺度力學(xué)

激光熔覆在金屬構(gòu)件定制制造、再制造和修復(fù)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(guò)程中頻繁的熔化和凝固不可避免會(huì)產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在往往會(huì)導(dǎo)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(duì)鎳基718合金多層熔粉快速成形激光熔覆溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行了有效預(yù)測(cè)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)離中心點(diǎn)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(cè)試結(jié)果吻合較好。殘余應(yīng)力引起的基板變形導(dǎo)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(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有較高吻合度。

圖1 殘余應(yīng)力和變形測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過(guò)程圖

圖1展示了殘余應(yīng)力及零件變形的測(cè)量?jī)x器，同時(shí)標(biāo)注了殘余應(yīng)力的測(cè)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(jì)算方法(a) 加熱、冷卻循環(huán)計(jì)算方案.(b)計(jì)算時(shí)長(zhǎng)

圖2展示的是不同計(jì)算方案在的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。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(dú)的顯式算法和隱式算法而言能夠大幅提高計(jì)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(guò)程中不同打印層的溫度曲線，可以看到增材制造過(guò)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4展示了對(duì)增材制造過(guò)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(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果于實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度高。

圖5 (a)混合有限元算法對(duì)變形的模擬.(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果.(c)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

圖5展示了混合有限元算法對(duì)變形的模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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