基于激光沖擊復合增材制造工藝殘余應力的熱和機械消除模型

來源： 納米技術與精密工程

金屬的增材制造（AM）經(jīng)常導致具有不利機械性能的部件。激光沖擊（LP）是一種高應變率機械表面處理，可錘擊工件并產(chǎn)生有利的機械性能。沖擊應變使表面硬化并賦予壓縮殘余應力，從而改善材料的機械性能。本文中來自股神巴菲特(Warren Buffett)的母校內(nèi)布拉斯加林肯大學（USA）機械和材料工程學院的G. Madireddy博士研究了LP在使用有限元分析的3D打印金屬的逐層處理中的作用。

目的是了解由循環(huán)耦合印刷和噴丸引起的熱和機械消除后的時間和空間殘余應力發(fā)展。結果表明，層沖擊頻率是影響殘余應力重新分布的關鍵工藝參數(shù)，并且與印刷過程產(chǎn)生的熱量高度相互依賴。發(fā)現(xiàn)存在有利地增強機械性能的最佳混合工藝條件。通過這項研究，hybrid-AM迎來了AM的下一個發(fā)展步驟，并有可能徹底改變高價值金屬制品的生產(chǎn)方式。

激光沖擊強化(Laser Peening , LP)技術，也稱激光噴丸技術。是采用高功率密度(GW/cm量級)、短脈沖(10～30ns量級)的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時，涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時形成大量稠密的高溫(>10 K)、高壓(>1GPa)等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強度沖擊波作用于金屬表面。當沖擊波的峰值壓力超過材料的動態(tài)屈服強度時，材料發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生垂直于材料表面的壓應力。

激光作用結束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，其力學效應表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應力。殘余壓應力會降低交變載荷中的拉應力水平，使平均應力水平下降，從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時殘余壓應力的存在，可引起裂紋的閉合效應，從而有效降低疲勞裂紋擴展的驅(qū)動力，延長疲勞裂紋擴展壽命。