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復(fù)合增材制造和激光噴丸的工藝,SLM增材制造中控制殘余應(yīng)力的利器

發(fā)布時間:2020.08.20    點(diǎn)擊數(shù): 73505

        來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員提出了一種復(fù)合增材制造(Selective Laser Melting (SLM))和激光噴丸的工藝,即,3D LSP,在SLM的過程中進(jìn)行LSP。并同傳統(tǒng)的SP、LSP沉積態(tài)的應(yīng)力進(jìn)行了比較研究。3D LSP會導(dǎo)致深且高的CRS,從而顯著的提高了疲勞抗力。

圖1 論文的Graphical abstract

       增材制造技術(shù)近年來從研究到商業(yè)化的轉(zhuǎn)變非常迅速,這是因為該技術(shù)具有傳統(tǒng)方法無法制備或者很難制備的優(yōu)勢。外場服役部件在服役過程中需要經(jīng)受長期的疲勞載荷。這就需要首先延長部件的疲勞壽命并提高AM制品的疲勞抗力。眾所周知,噴丸是可以改善表面的顯微組織并提高疲勞抗力的。這里為大家展示了復(fù)合增材制造和3D激光噴丸(3D Laser Shock Peening (3D LSP))的加工工藝。在SLM增材制造的沉積態(tài)( as – built (AB) )時,其亞表面存在的眾所周知的抗拉殘余應(yīng)力( tensile residual stresses (TRS)),對部件的疲勞應(yīng)力具有十分不利的后果。激光噴丸(LSP)是一種相對比較昂貴的后處理技術(shù),大家知道,可以在部件的亞表面產(chǎn)生產(chǎn)生較深的壓應(yīng)力( CRS)。而且該技術(shù)通常應(yīng)用于對疲勞抗力要求非常高的場合,如航空航天和核電的場合。此處提出的新穎的3D LSP工藝具有充分發(fā)揮和利用部件制造的重復(fù)的間隙的優(yōu)點(diǎn),如SLM制造的層層之間的循環(huán)。這一措施在部件的亞表面制備出高且深的壓應(yīng)力( CRS),從而顯著的提高疲勞抗力。在本文中,研究者以316L為研究對象進(jìn)行了3D LSP加工,將部件來回的在SLM和LSP工位上進(jìn)行切換。結(jié)果,在所有的參數(shù)研究范圍內(nèi),可以觀察到非常明顯且顯著的CRS。同SLM的沉積態(tài)相比或者同采用與傳統(tǒng)的噴丸相比,效果非常明顯。

圖2 激光噴丸產(chǎn)生塑性壓應(yīng)力且產(chǎn)生一個橫向壓應(yīng)力場的過程

       盡管SLM技術(shù)打印的產(chǎn)品的機(jī)械性能非常接近于傳統(tǒng)技術(shù)加工的產(chǎn)品,但SLM技術(shù)在應(yīng)用的時候依然存在一定的局限性。其中一個問題就是不斷積累的抗拉應(yīng)力的殘余應(yīng)力(tensile residual stresses,TRS),如下圖所示。在SLM的過程中,頂部的熔化層最后會冷卻掉,且冷卻的程度受到底部凝固材料的連續(xù)性的限制。這樣一層層的累積下來,就會在制品中形成較大的TRS,其結(jié)果就是要么降低了其疲勞抗力或造成最終制品的變形。應(yīng)力高到一定程度的時候會導(dǎo)致加工失效(如產(chǎn)生裂紋)。

圖3 SLM制造過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的示意圖,顯示了噴丸、激光噴丸和3D LSP的過程

圖解:噴丸Shot Peening (SP), 激光噴丸Laser Shock Peening (LSP)、復(fù)合3D打印與激光噴丸的技術(shù) 3D LSP。

        目前已經(jīng)有不同的手段來控制和減少殘余應(yīng)力。如原位加熱(例如將基材進(jìn)行預(yù)熱或者激光重熔)就是一種比較常見的技術(shù)手段。自適應(yīng)性掃描策略也證明是一種比較有效的顯著影響殘余應(yīng)力的解決辦法。作為一種后處理過程,退火時廣泛應(yīng)用并證明可以顯著的降低至少70%的殘余應(yīng)力。盡管以上提到的技術(shù)對改善最終的殘余應(yīng)力是比較有效的。但以上技術(shù)還不能完全消除TRS,并且還存在不能引入殘余壓應(yīng)力( Compressive Residual Stresses (CRS))而提高疲勞抗力的弊端。而且,在后處理過程中還存在不要可避免的帶來失效的問題,這就意味著采用原位加熱和優(yōu)化掃描策略的辦法并不是一種簡單有效的辦法,并不能完全適用于LSM。

在AB、LSP處理的條件下得到的殘余應(yīng)力曲線分布

        激光噴丸(Laser Shock Peening (LSP))是一種在表面產(chǎn)生高應(yīng)變速率((~ 10exp(6) s− 1))的處理辦法,其原理同噴丸(Shot Peening (SP))和超聲噴丸(Ultrasonic Shot Peening (USP))相似,常常用來在材料的近表面產(chǎn)生一層壓應(yīng)力的殘余應(yīng)力。LSP在提高大多數(shù)金屬材料的疲勞抗力這一方面比較為人所熟知。同時還具有提高應(yīng)力腐蝕裂紋、磨蝕疲勞的能力。引入的壓應(yīng)力的殘余應(yīng)力的深度可以達(dá)到1mm(具體取決于被處理的材料)。抵消近表面區(qū)域包含部分或幾乎全部是抗拉的殘余應(yīng)力,會降低材料的裂紋擴(kuò)展速率,有效的減少應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù),增強(qiáng)疲勞裂紋的閉合效應(yīng)并增加其裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力臨界值,從而提高金屬材料的疲勞性能。

圖5 在AB LSP 1mm 40%和3D LSP?。保恚怼。矗埃ィ薄ⅲ澈停保皩訒r測量得到的殘余應(yīng)力曲線

      LSP一開始的研究是將其作為一種傳統(tǒng)的表面處理方法用于SLM制品的表面處理,結(jié)果顯示LSP可以將抗拉的殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)換成更為有利的壓應(yīng)力狀態(tài)的殘余應(yīng)力。在幾乎所有實(shí)驗的參數(shù)范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力的成功轉(zhuǎn)換。然而,傳統(tǒng)的LSP依然只是作為一種表面后處理過程,并不能作為在SLM制造過程中高的抗拉應(yīng)力殘余應(yīng)力積累的手段。

圖6?。蹋樱?、SP、AB和變形態(tài)+退火態(tài)的表面斷裂形貌和傅里葉轉(zhuǎn)換

      在這里,來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員為我們展示了復(fù)合增材制造和激光噴丸的3D LSP(3D Laser Shock Peening (3D LSP) )技術(shù)。3D LSP是瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院熱機(jī)械冶金技術(shù)實(shí)驗室的專利。他們成功的展示了3D控制SLM過程中的殘余應(yīng)力。尤其是,將在SLM過程中所產(chǎn)生的TRS的不利之處轉(zhuǎn)換為在表面區(qū)域有利的CRS。其強(qiáng)化深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過傳統(tǒng)的LSP(見圖3)。3DLSP工藝確實(shí)可以將CRS在關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行積累。這一將LSP和SLM工藝復(fù)合在一起的想法,就是將LSP用于每一層SLM的表面處理。這樣的一種處理辦法可以在功能上和實(shí)踐上來實(shí)現(xiàn)大部件的制造。所不同的是就是在SLM的掃描頭上加裝一個用于LSP的掃描頭。

       殘余應(yīng)力對疲勞的影響已經(jīng)得到了廣泛的研究,并且殘余壓應(yīng)力在近表面的有利影響已經(jīng)得到證實(shí),而且可以說沒有人對此在感到懷疑。研究發(fā)現(xiàn)CRS的深度對疲勞抗力起到非常重要的作用。其深度越深,其表面產(chǎn)生裂紋的可能性越小,從而其疲勞抗力越強(qiáng)。盡管LSP的參數(shù)設(shè)置比起傳統(tǒng)的SP或者USP來說要復(fù)雜的多,但仍然是處理航空航天和核電領(lǐng)域特定關(guān)鍵件的不可替代的處理工藝,這是因為該技術(shù)具有深的CRS。通過不斷地重復(fù)LSP地過程來處理SLM地近表面,同傳統(tǒng)地LSP相比較,3D LSP可以實(shí)現(xiàn)CRS強(qiáng)度和深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)深于和高于傳統(tǒng)的LSP,從而使得其疲勞抗力也相應(yīng)地提高。

 

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