共享：试样局面和尺寸对激光选区熔解成形钛合金残余应力的影响

0. 序文

激光选区熔解（SLM）是一种进击的金属增材制造技艺,该步伐以激光为热源,采选性地使金属粉末快速熔解后凝固,并逐层堆积形成需要的零件。金属的快速熔解和凝固会形成零件里面显贵的残余应力积贮,导致成形零件出现大变形或开裂问题[1-2],从而裁汰零件的承载才调,影响其入伍性能[3-4]。增材制造进程中残余应力的产生受工艺参数、复寂寞的使用、成形件尺寸和局面等身分的影响[5]。在交流的材料和增材制造工艺条款下,径直成形的不同尺寸和局面试样的残余应力分散和幅值不同[6],这使得基于不同尺寸和局面的试样获取的力学性能达成也不同,从而影响对成形件的性能评价和瞻望。

现在,增材制造试样中应力分散特征的有计划多聚会在接受X射线衍射法测试块状试样名义一条线上的应力分散[5],或接受中子衍射法获取柱状试样一条直径线上的里面应力分散[6]等方面,少有对某一平面应力二维分散进行有计划的报谈。概述法[7]是一种经济高效、测试精度和空间分辨率均很高的阻扰性残余应力测试步伐,可获取可视化的构件截面残余应力二维分散。该测试步伐主要包括工件切割、概述测量、数据不休和有限元建模有计划4个设施：将构件切割成两半开释里面残余应力,测量切割面概述获取因应力开释而导致的切割面变形数据,以变形数据为限度条款,接受有限元法构造切割面上的应力分散[8-11],得到切割前该平面的原始应力分散。概述法测试残余应力的准确性已得到X射线衍射[12]、中子衍射[13]、同步辐照X射线衍射[14]等测试步伐和数值有计划[15]的考据。

作家以TC4钛合金粉末为原料,接受SLM径直成形4种局面和尺寸的试样,基于概述法获取了试样里面残余应力分散,有计划了试样局面和尺寸对残余应力的影响。有计划效力可为SLM成形TC4钛合金构件的残余应力分析提供指点。

1. 试样制备与查察步伐

查察原料为粒径约30 μm的TC4钛合金粉末,由德国TLS3D打印金属粉末制造公司提供。接受EOS-M280型商用SLM增材制造机通过选区激光熔解成形制备如图1所示的4种试样（z为成形标的）,工艺参数参考文件[16]详情：激光光斑直径为100 μm,激光功率为260~300 W,扫描速率为1 000~1 400 mm·s−1,扫描间距为0.14 mm,相邻层间扫描旅途夹角为67°,交流层扫描时激光光斑搭接率为25%。

图 1 SLM径直成形试样的局面与尺寸

Figure 1. Shape and size of specimens directly formed by SLM: (a) columnar specimen; (b) fatigue specimen; (c) 10 mm-thick plate specimen and (d) 22 mm-thick plate specimen

接受概述法测试应力：如图2所示,将试样夹抓后,使用Seibu M50型慢走丝线切割机将其切割成两半,切割丝为直径0.25 mm的纯铜丝,切割速率约为1.0 mm·min−1,切割进程在去离子水中进行,以减小切割形成的热应力；接受蔡司PRISMO型三坐标测量仪测试切割面概述,扫描测试精度约为1.2 µm,概述数据经过剔除舛讹点、插值平均和光滑拟合后,动作有限元模拟的限度条款；按照切割后试样的灵验尺寸数据成就有限元模子（见图3）,将光滑拟合的切割面变形数据动作位移限度条款施加到有限元模子的相应切割面节点上,经过弹性有限元有计划,即可获取切割前切割面上的z向残余应力分散。在成就有限元模子时,计议到切割面变形量小（约20 μm）以及为了建模和加载位移便捷,将疲劳试样模子简化为直径7 mm的圆柱体。接受ANSYS软件的Solid185六面体离别单位,疲劳试样切割面网格尺寸为0.15 mm×0.15 mm,柱状试样切割面网格尺寸为0.4 mm×0.4 mm,两种板状试样切割面网格尺寸为0.5 mm×0.5 mm。柱状试样模子包含40 680个单位和43 183个节点,疲劳试样模子包含35 820个单位和38 388个节点；10 mm和22 mm厚板状试样模子的单位数分别为25 650个和45 150个,节点数分别为29 120和49 984个。材料的弹性模量和泊松比分别为105 GPa[16]和0.34[17]。

图 2 不同试样的夹抓及切割样式

Figure 2. Clamping and cutting methods of different specimens: (a) columnar specimen; (b) fatigue specimen and (c) plate specimen

图 3 对半切割后4种试样的有限元模子

Figure 3. Finite element models of four kinds of specimens after cutting in half: (a) columnar specimen; (b) fatigue specimen; (c) 10 mm-thick plate specimen and (d) 22 mm-thick plate specimen

2. 查察达成与筹商

2.1 柱状试样和疲劳试样的z向残余应力分散

由图4不错看出,柱状试样和疲劳试样的里面z向残余应力均为压应力,其分散局面基本呈圆形,与试样截面局面一致,上层z向残余应力为拉应力。这种里面为压应力上层为拉应力的分散特征与文件[6]的有计划达成一致。在SLM增材制造进程中,试样角落材料的散热快,消弱大,故试样里面会因受到角落材料的压缩而形成压应力,上层则产生拉应力与之均衡。由图4还不错看出,试样切出端出现了高达2 000 MPa的拉应力,远远进取TC4钛合金的屈服强度（1 094 MPa）和抗拉强度（1 267 MPa）[16],这是由于概述法测试存在较大角落舛讹。线切割时,切出端的材料赶紧减少,影响切割参数的褂讪性,后续名义概述测定时上层会产生较大位移舛讹[7,18-19],从而得到较高的上层应力值。

图 4 柱状试样和疲劳试样切割面上的z向残余应力分散

Figure 4. Distribution of z-directional residual stress on cutting surface of columnar (a) and fatigue (b) specimens

将柱状试样和疲劳试样切割面直径线上的应力索要出来。由图5可见,两种试样的残余应力沿切割面直径线的分散弧线局面基本一致,直径较大的柱状试样的压应力峰值（690 MPa）大于直径较小的疲劳试样（493 MPa）,这与文件[6]接受中子衍射法测试SLM成形不同直径柱状试样的达成一致。

图 5 柱状试样和疲劳试样切割面直径线上的z向残余应力分散弧线

Figure 5. Distribution curves of z-directional residual stress along diameter line on cutting surface of columnar and fatigue specimens

2.2 板状试样的z向残余应力分散

由图6不错看出：两种板状试样的里面z向残余应力均为压应力,上层则均为拉应力,里面压应力分散局面与其切割面局面一样,呈近矩形,与文件[17]接受概述法和数值模拟步伐得到的SLM成形块状试样的应力分散一致；22 mm厚板状试样的压应力峰值达400 MPa傍边,10 mm厚板状试样压应力峰值略低,为200 MPa傍边；两种板状试样的角落部分均出现较大幅值的拉应力,这是概述法的角落测试舛讹形成的。22 mm厚试样切割初期出现了断丝景色,形成切入端约15 mm区域的变形数据失真,因此在数据不休和构建应力分散时铁心了这部分数据（图6中虚线框出区域）,最终测试达成仍能反应里面应力分散。

图 6 不同厚度板状试样切割面上的z向残余应力分散

Figure 6. Distribution of z-directional residual stress on cutting surface of plate specimens with 10 mm thickness (a) and 22 mm thickness (b)

索要板状试样切割面中心线上的残余应力。由图7（a）不错看出：两种板状试样y标的（厚度标的）中心线上的残余应力分散基本一致,上层均为拉应力,里面均为压应力；22 mm厚和10 mm厚板状试样里面压应力的分散跨度分别为15.5 mm（约为厚度的70%）和9 mm（为厚度的90%）；10 mm厚板状试样的压应力峰值（240 MPa）约为22 mm厚板状试样压应力峰值（约440 MPa）的1/2。可见,板状试样在厚度减薄后,y标的中心线上的压应力分散跨度和峰值均裁汰。由图7（b）不错看出,两种板状试样在x标的(宽度标的）中心线上的残余应力分散趋势基本一致,压应力分散跨度基本交流,10 mm厚板状试样的压应力峰值（220 MPa傍边）约为22 mm厚板状试样压应力峰值（约420 MPa）的1/2,通晓当SLM增材制造TC4钛合金板状试样宽度变化不大时,其厚度大小对里面x标的中心线上的压应力分散跨度莫得影响,仅形成压应力幅值变化。

图 7 不同厚度板状试样切割面不同标的中心线上的z向残余应力分散弧线

Figure 7. Distribution curves of z-directional residual stress along different-directional centerline on cutting surface of plate specimens with different thicknesses: (a) y-direction and (b) x-direction

试样里面残余压应力的分散局面与其切割面局面一样,这是试样的自拘束景况导致的。柱状试样各标的的自拘束度一致,形成了里面圆形压应力分散局面；板状试样的宽度和厚度尺寸不同,各标的的拘束度不一致,形成里面压应力和上层拉应力在这两个方朝上的分散跨度均不一致。两种板状试样的宽度基本一致,因此x标的中心线上的压应力分散跨度基本一致；厚度差距较大,较小厚度试样y标的中心线上的压应力分散跨度较小。此外,直径较大柱状试样和厚度较大板状试样的拘束度大,因此里面压应力峰值大。综上可知,SLM径直成形试样的里面压应力分散及大小受试样局面及尺寸影响大,可归因于成形不同局面和尺寸试样时的拘束度不同。

3. 论断

（1）接受概述法测得SLM成形TC4钛合金试样的里面z向（成形标的）残余应力均为压应力,上层则为拉应力,里面压应力分散局面与切割面局面一样,柱状试样呈近圆形,板状试样呈近矩形。

（2）较大直径（16 mm）柱状试样切割面上的压应力幅值大于较小直径（7 mm）疲劳试样；与20 mm厚板状试样比拟,10 mm厚板状试样的里面压应力在厚度标的中心线上的分散跨度和幅值裁汰,在宽度标的中心线上的分散跨度基本不变,但压应力峰值裁汰约1/2。里面压应力分散局面和幅值受试样局面和尺寸影响较大,可归因为不同局面和尺寸试样在成形进程中的拘束度不同。

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