基于DIC技术的选区激光熔化Inconel 625拉伸性能及各向异性的研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 杨来侠,杜康,徐超,等 基于 技术的选区激光熔化 拉伸性能及各向异性的研究 西安科技大学学报,():,():收稿日期:基金项目:国家重点实验室开放课题研究基金项目();年度服务地方专项科研计划项目()通信作者:杨来侠,女,陕西西安人,教授,博士生导师,:基于 技术的选区激光熔化 拉伸性能及各向异性的研究杨来侠,杜康,徐超,高伟,李素丽,(西安科技大学 机械工程学院,陕西 西安 ;西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室,陕西 西安 )摘要:选区激光熔化()成型件各向异性缺乏相关研究与评估,为研究其在不同打印角度下的各向异性及力学性能,以镍基高温合金粉末
2、 为原料,采用 技术制备 、和 类不同打印角度的试件,通过准静态拉伸试验和数字散斑图像技术(),获得 材料的应力应变数据及全场应变分布。结果表明:角打印在 类成型方式中力学性能最优,打印角度的选择对激光成型 抗伸强度、应力应变分布影响较大;对比 全场应变云图与强度分布曲线发现应力集中带分布与打印角度一致,制备成型件时选取 角打印、减少分层数可有效降低各向异性的影响并提升力学性能;最后,通过扫描电镜对试样的断口形貌进行观察和分析,发现 角试件断口处存在大量小尺寸韧窝,分层处未出现层间断裂,、角试件断口多位于分层结合处;准静态拉伸 成型件断裂模式为韧性断裂。通过 技术可以精确研究 成型件应变分布,
3、为今后降低和预防增材制造各向异性提供了参考。关键词:选区激光熔化;镍基高温合金;数字散斑图像;打印角度;各向异性中图分类号:文献标志码:文章编号:():开放科学(资源服务)标识码():,(,;,):(),(),:;();引言镍基高温合金因为其良好的结构稳定性、优越的高温强度和抗氧化性广泛应用于航空航天和能源行业。目前已成为涡轮叶片、发动机盘、燃气轮机等高温应用中不可替代的材料之一。随着航空航天技术的不断发展,对其零部件的功能、结构和性能提出了更加严格的要求,结构成型的一体化有利于提高航空零部件的功能、轻量化和机械性能。然而,目前仍有 的航空零部件采用传统的合金锻造方法生产,加工难度大、工艺复杂
4、,不能生产出结构轻量化、质量优良的整体零部件,这些都制约了航空航天技术的发展 。选择性激光熔化()是近年来发展迅速的增材制造技术之一,在复杂结构一体化成型、轻量化、拓扑优化、材料利用等方面具有无可比拟的优势。将 制造方法运用到航空航天复杂零部件的生产中,可以为一体化成型的材料和元件生产开辟一条新途径。目前,国内外 成型过程研究主要集中于控制工艺参数和材料改性来提高成型件的密度和质量,但这已不再是主要的瓶颈问题。有别于传统铸造、轧制或锻造制造工艺,增材制造成型过程较为复杂,打印方向的改变会引起试件局部力学性能变化并引起各向异性差异 。整个加工过程是一个非平衡的凝固过程,金属粉末经历一个独特的热循
5、环,从快速熔化,快速凝固到重熔,在局部极短的时间内输入高热能并相互作用,这决定了材料的均匀性、微观结构和力学性能。激光束作为强热源点作用于粉末,使熔池中出现类似锤体的温度场,产生对流,熔池中熔融态流体在短时间内被连续搅拌。因为激光“重熔”作用,粉末层被反复熔化且快速冷却凝固,高致密度的镍基合金中存在位错及残余应力导致成型件的内部裂纹缺陷、几何形变、各向异性等失效问题。不同打印角度的扫描策略、层间结合面与扫描区域大小也不尽相同,这些都会直接导致 成型件与传统铸造、轧制或锻造产品有各向异性及材料性能差异。如何避免这些问题,制造高质量成型件一直是学术界和产业界关注的重点。是镍基高温合金的一种,它是一
6、种非磁性、耐腐蚀和抗氧化的镍基合金,在 的温度范围内具有很高的强度和韧性。目前对于改变打印角度 成型件的各向异性及拉伸强度、应力分布还缺乏相关的评估与研究。为分析 各向异性及整个拉伸应变场,单轴拉伸试验过程中采用数字散斑(,)技术观测拉伸受力过程中成型件全应变场变化并提取数据,通过 高速照相机追踪特殊标记点未变形图像和变形后图像间选定的子集进行关联进而确定位移并建立应变场云图,从而观测整个变形过程中应变场的变化。文章旨在研究不同的打印角度下 制造 构件的材料强度,通过 技术观察获得打印角度对 成型件力学性能及应变场影响,分析内部各向异性。最后使用电子显微镜观察试件断口,并分析打印角度对断口形貌
7、的影响。试验 材料试验所用材料 粉末来自 西 安科技大学学报 年第 卷第 期杨来侠,等:基于 技术的选区激光熔化 拉伸性能及各向异性的研究 公司制造的球磨镍基合金粉末。表 为 粉末的化学成分。图为粉末电镜图,粉末表面光滑、有光泽,摩擦力小,具有良好的流动性。粉末粒径范围为 ,平均粒径为 。试验前须将 粉末置于 的干燥箱中烘干 。表 粉末的化学成分 ()()()图 粉末 试件制备制备试件的选区激光熔化设备由铂力特公司生产,型号为 。试验最优工艺参数由正交试验获得,见表 。成型过程在氩气环境下进行,打印前预热温度为 ,激光功率控制在 ,扫描速度为 ,扫描间隔为 ,激光光斑直径为 ,打印层分层厚度保
8、持在 ,扫描方式选择倾斜分区式。表 试件制备工艺参数 激光功率 扫描速度()扫描间距 光斑直径 分层厚度 为研究 打印试件各向异性差异,分析不同打印角度下的应力 应变关系及全应变场变化,同时制造三种同工艺参数、不同打印角度典型拉伸试件。制备过程中试件与设备基板的夹角分别为 、,如图所示。图为哑铃型拉伸试件的尺寸参数,试件长 、厚 ,为了避免疲劳开裂及应力集中,标距段两边采用圆倒角半径 。中部标距段长 ,每组试验准备个试件,结果计算平均值。经排水法测量得致密度为 ,表面无缺陷,内部有少量孔洞外,其余部分接近完全致密 。试验过程为验证试验的可重复性,分别对?图 试件打印夹角?试件与 设备基板的打印
9、夹角为 、种打印方式的试件进行单轴拉伸试验。将试样记为 ,等 组,每组试件进行 次测量并求取平均值,该试验在 型试验机上进行,试验机拉伸传感器进度为 。通过 拉伸机和 等 种方式完成应变测量,采用标距为 引伸计测量标距段的变化,试验过程控制方式选用位移控制拉伸试验设备,如图 所示 ,拉伸试件前对标距段使用黑色及白色漆进行喷绘,获得随机灰度水平表面。试验采用高速摄像机拍摄,相机的摆放位置与正确加持后的试件中心位置平齐,每次拉伸前需调节相机焦距,调整两侧冷关灯至合适亮度,查看软件界面散斑拍摄紫色区域为 以上,避免过度曝光或补光不足。完成调试后抓拍一张空载照片建图 试件尺寸 立参考位置,拉伸过程中使
10、用数字相机 一张拍摄,拍摄像素分辨率为 的图像,当测试终止至试件断裂大约产生 张图像。随后使用 软件对试件标记段表面进行位移的测量及应变计算,拉伸初始状态手动拍摄定义初始图像,开始处理定义范围内标距段的网格。由初始图像相关联决定每个测量点在网格上的位移,通过对比灰度级,获得标距段表面位移场 。?图 性能测试装置 结果和讨论 单轴拉伸试验结果首先对 角试件进行拉伸,随后对 角及 角打印方向的试件进行测试,图 为试验数据求平均后的应力应变曲线及误差,次结果基本一致。可以看出三种构建类型的曲线趋势大致相同,均呈现双线性特征,初始阶段有轻微的 型变形,这可能与材料内部缺陷及打印扫描路径引起的细小空隙和
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