LLNL研究人員開(kāi)發(fā)出測(cè)量 3D 打印金屬零件殘余應(yīng)力的方法

來(lái)源： 江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

導(dǎo)讀：來(lái)自勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種有效的方法來(lái)測(cè)量粉末床熔融增材制造生產(chǎn)的金屬零件的殘余應(yīng)力。

增材制造 (AM) 是指能夠從前體材料生產(chǎn)三維結(jié)構(gòu)的一系列逐層構(gòu)建方法。雖然這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是基于金屬的粉末床融合AM，增材制造方法已在金屬、聚合物和陶瓷中得到應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兡軌蚴褂脝我蛔詣?dòng)化過(guò)程制造復(fù)雜的凈形零件，且廢料很少。盡管 AM 技術(shù)已有二十多年的發(fā)展，但大規(guī)模采用 AM 方法仍面臨重大挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)快速加工時(shí)間、全密度、相對(duì)無(wú)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)以及良好的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械完整性之間的固有權(quán)衡已經(jīng)產(chǎn)生了對(duì)工藝優(yōu)化的需求。

在粉末床熔融 AM 中，通過(guò)受控激光分布并選擇性熔化非常薄的粉末層；重復(fù)此過(guò)程，直到制造出完整的零件。必須選擇粉末尺寸和包裝、材料、激光設(shè)置（功率、光斑尺寸和速度）和掃描參數(shù)（圖案、取向角和重疊），以便粉末層在局部完全熔化并粘合到基材上。然而，激光光斑附近的大熱梯度的發(fā)展快速冷卻以及該過(guò)程的重復(fù)會(huì)引起局部壓縮和拉伸，從而導(dǎo)致 AM 部件具有顯著的殘余應(yīng)力。構(gòu)建過(guò)程中存在的熱梯度受許多工藝參數(shù)（零件尺寸、構(gòu)建時(shí)間、構(gòu)建板/粉末床溫度、氣氛、粉末熱特性、熔池尺寸等）的影響。除了對(duì)增材制造零件的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)完整性的潛在影響外，加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致局部變形，從而導(dǎo)致凈形損失、與支撐結(jié)構(gòu)分離或增材制造零件失效。

雖然使用高能激光束來(lái)融合金屬粉末顆粒能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的零部件，但殘余應(yīng)力是制造過(guò)程中的一個(gè)主要問(wèn)題。這是因?yàn)樽詈笠粋�(gè)熔點(diǎn)附近的溫度變化很大——快速加熱和冷卻——并且這個(gè)過(guò)程的重復(fù)會(huì)導(dǎo)致局部膨脹和收縮，這些因素會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力。

除了對(duì)機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)完整性的潛在影響外，殘余應(yīng)力還可能在加工過(guò)程中引起變形，從而導(dǎo)致凈形狀損失、與支撐結(jié)構(gòu)分離，并可能導(dǎo)致增材制造 (AM) 零件和組件的故障。

由工程師 Amanda Wu 領(lǐng)導(dǎo)的 LLNL 研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種精確的殘余應(yīng)力測(cè)量方法，該方法將傳統(tǒng)的應(yīng)力消除方法（破壞性分析）與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合：數(shù)字圖像相關(guān) 。該過(guò)程能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量 AM 零件中的表面級(jí)殘余應(yīng)力。

該研究中所有 AM 樣品均使用 316L 不銹鋼粉末（Concept Laser，CL-20）和 30μm 粉末層進(jìn)行處理。L形矩形和四邊形棱鏡（圖1）樣品是使用 Concept Laser M2（50 μm，D4Sigma 高斯光束）來(lái)構(gòu)建。

▲圖1. 樣品示意圖和尺寸以及竣工的水平和垂直棱鏡樣品

基于激光的 AM 會(huì)產(chǎn)生不均勻的形態(tài)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生各向異性晶粒結(jié)構(gòu)，通常具有一定程度的孔隙率。使用不同掃描策略在 400 W 下加工的 316L 不銹鋼試樣的微觀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。這里，黑點(diǎn)代表加工過(guò)程中形成的孔。熔池線非外延生長(zhǎng)在圖 2(c) 和 (f) 中很明顯。

▲圖2. (a) 到 (c) 5 × 5 mm 島狀試樣和 (d) 到 (f) 連續(xù)掃描試樣的橫截面圖像 (SEM)，描繪了以 400 W 和 1800 mm/s 處理的晶粒結(jié)構(gòu)和孔隙率

“L” 形試樣 DIC 和中子衍射測(cè)量

為了驗(yàn)證 DIC 的結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)與洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LANL) 合作，使用稱為中子衍射 (ND) 的方法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。該技術(shù)由 LANL 研究員 Donald Brown 執(zhí)行，通過(guò)檢測(cè)入射中子束的衍射來(lái)測(cè)量材料深處的殘余應(yīng)力。中子的衍射束能夠檢測(cè)由于應(yīng)力引起的原子晶格間距的變化。

為了更好地了解粉末床熔融 AM 期間建立的面內(nèi)殘余應(yīng)力分布，L 形試樣（400 W，1800 mm/s，5 × 5 mm 島狀圖案，與零件邊緣成 45 度角）的中子衍射測(cè)量是 作為圖3中位置的函數(shù)提供。在零件的頂面附近（圖3(a) 到 (c)），存在顯著的軸向殘余應(yīng)力。沿最大零件幾何形狀的平面內(nèi)殘余應(yīng)力最大 - x 方向上的 σ xx 和 y 方向上的 σ yy。面內(nèi)殘余應(yīng)力從高（圖3（b））到較低和接近零（圖3（e））拉伸值的演變轉(zhuǎn)化為“剝離”（從頂面觀察時(shí)向下彎曲） 在對(duì)這些部分進(jìn)行水平切片時(shí)觀察到。

▲圖3. 通過(guò)中子衍射在距樣品頂部 ((a) 到 (c)) 4 mm 和 ((d) 到 (f)) 15 mm 處測(cè)量的殘余應(yīng)力分量。

盡管它的準(zhǔn)確度很高，但 ND 很少用于測(cè)量殘余應(yīng)力，因?yàn)槊绹?guó)只有三個(gè)聯(lián)邦研究實(shí)驗(yàn)室——LANL 就是其中之一——擁有該分析所需的高能中子源。LLNL 團(tuán)隊(duì)的 DIC 結(jié)果得到了 ND 實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，表明 DIC 是一種可靠的方法來(lái)測(cè)量粉末床融合 AM 部件中的殘余應(yīng)力。

他們的發(fā)現(xiàn)首次提供了定量數(shù)據(jù)，顯示增材制造部件中的內(nèi)部殘余應(yīng)力分布是激光功率和速度的函數(shù)。該團(tuán)隊(duì)證明，減少激光掃描矢量長(zhǎng)度而不是使用連續(xù)激光掃描可以調(diào)節(jié)加工過(guò)程中的溫度變化，以減少殘余應(yīng)力。此外，結(jié)果表明，相對(duì)于 AM 部件的最大尺寸旋轉(zhuǎn)激光掃描矢量也有助于減少殘余應(yīng)力。該團(tuán)隊(duì)的結(jié)果證實(shí)了其他研究人員得出相同結(jié)論的定性數(shù)據(jù)。

通過(guò)使用 DIC，該團(tuán)隊(duì)能夠產(chǎn)生可靠的定量數(shù)據(jù)，使 AM 研究人員能夠優(yōu)化校準(zhǔn)工藝參數(shù)，以減少制造過(guò)程中的殘余應(yīng)力�？梢哉{(diào)整激光設(shè)置（功率和速度）和掃描參數(shù)（圖案、方向角和重疊）以生產(chǎn)更可靠的零件。此外，DIC 允許 Lawrence Livermore 團(tuán)隊(duì)評(píng)估激光功率和速度的耦合效應(yīng)，并觀察次表層加熱對(duì)殘余應(yīng)力發(fā)展的潛在有益影響。

LLNL 的發(fā)現(xiàn)最終將用于幫助鑒定使用粉末床融合 AM 工藝制造的金屬部件的特性。該團(tuán)隊(duì)的研究有助于建立 LLNL 設(shè)計(jì)的其他認(rèn)證流程，以提高 3D 打印零件和組件的質(zhì)量和性能。

▲Amanda Wu 使用數(shù)字圖像相關(guān)性對(duì)增材制造的零件進(jìn)行成像