（机械制造及其自动化专业论文）微锻造对激光熔覆成型试样开裂行为的影响.pdf

摘要 金属材料快速凝固激光熔覆成型技术是一种基于激光熔覆的迭层材料成型制造 技术，它将激光熔覆和快速原型技术相结合，能实现高性能金属结构件的直接成型。 由于该技术以高能激光束作为移动热源，实现了极端非平衡条件，使成型材料具有细 小、致密和优异的综合性能，制备过程高柔性、短周期等优点，自2 0 世纪9 0 年代以 来，此技术在国际上受到广泛的关注并制备出高性能大型金属结构件，在准承力金属 结构件的制备业中得到越来越广泛的应用。目前制约激光熔覆成型技术制备高性能、 主承力、大型金属结构件的主要技术因素是：在激光熔覆成型过程中成型件内形成的 微细观孔洞与裂纹，机械力学性能偏低。因此，优化激光熔覆成型工艺，减少裂纹的 产生，提高激光熔覆成型工件的综合性能，对该项技术的工程化具有非常重要的意义。 本试验用自制的微锻造机构同激光熔覆成型系统相配套，分别对2 蝴板、钢筒 基材进行激光熔覆成型、激光熔覆成型后微锻造处理。采用光学显微镜、s e m 扫描 电镜对激光熔覆层的开裂行为进行了比较分析，用x 射线衍射仪对激光熔覆成型试 样表面残余应力进行了测量。 实验结果表明，在微锻造处理下，激光熔覆成型试样裂纹数目减少、长度变短、 宽度变窄，裂纹贯穿熔覆层到达基体，几乎没有分支，在裂纹末端都存在有缺陷。激 光熔覆成型试样表面残余应力状态由拉应力转变为压应力。这说明微锻造处理能够通 过改变激光熔覆成型试样表面残余应力状态，来改善这一工艺成型过程中的开裂行 为。 本研究为改进激光熔覆成型工艺进行了有益尝试，为激光熔覆成型技术的推广应 用做了一定的探索。 关键词：激光熔覆；快速成型；微锻造；残余应力；x 射线衍射 i n f l u e n c eo fm i c r o - f o r g i n go nc r a c k i n gb e h a v i o ri nl a s e rc l a d d i n g f o r m i n gs p e c i m e n a b s t r a c t r a p i ds o l i d i f i c a t i o nl a s e rc l a d d i n gf o r m i n gt e c h n o l o g yo fm e t a l l i cm a t e r i a l si sal a s e r c l a d d i n go fd i e g o b a s e dm a t e r i a lf o r m i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i tc o m b i n e sl a s e r c l a d d i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt o g e t h e r , t oa c h i e v et h ed i r e c tm o l d i n go f 1 1 i g h p e r f o r m a n c em e t a ls t r u c t u r e a st h i st e c h n o l o g yt a k e st h eh i g h e n e r g yl a s e rb e a ma sa m o v i n g h e a ts o u r c e ，a n dm a k et h er e a l i z a t i o no ft h ee x t r e m en o n - e q u i l i b r i u mc o n d i t i o n s ， t h em o l d i n gm a t e r i a lh a sa s m a l l ，c o m p a c ta n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，a n dt h ep r e p a r a t i o n p r o c e s sh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hf l e x i b i l i t y , s h o r t c y c l e ，e t c s i n c et h e9 0 si nt h e2 0 t h c e n t u r y , t h i st e c h n o l o g yh a saw i d er a n g eo fc o n c e r ni nt h ei n t e r n a t i o n a la r e n aa n d p r o d u c e sah i g h - p e r f o r m a n c el a r g e - s c a l em e t a ls t r u c t u r e s ，s oi th a sb e e n u s e dm o r ea n d m o r ew i d e l yi nt h eq u a s i - - l o a d - b e a t i n gs t r u c t u r eo ft h ep r e p a r e dm e t a li n d u s t r y t h em a j o r t e c h n i c a lf a c t o r so fr e s t r i c i n gt h ec u r r e n tl a s e rc l a d d i n gs h a p i n gt e c h n o l o g yt oh a v e h i g h - p e r f o r m a n c e ，t h em a i nl o a d - b e a t i n g , l a r g em e t a ls t r u c t u r e sa r e ：t h eh o l e sa n dc r a c k s f o r m e dw i t h i nt h et i n yp i e c e so fc o n c e p ti nt h el a s e rc l a d d i n gf o r m i n gp r o c e s s ，t h el o w m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i nt h i ss t u d y , w ea d o p tt h es e l l m a d em i c r o f o r g e db o d yw i t hl a s e rc l a d d i n gf o r m i n g s u p p o r ts y s t e m st om a k et h el a s e rc l a d d i n g , l a s e rc l a d d i n gf o r m i n ga f t e rm i c r o f o r g i n go f 2 0 撑s t e e l ，s t e e lt u b ef o r m i n gr e s p e c t i v e l y w em a k eac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fl a s e r c l a d d i n gl a y e rc r a c k i n gb e h a v i o rb yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p y , s e ms c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ya n dam e a s u r e m e n to ft h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s so ft h el a s e rc l a d d i n gf o r m i n g s p e c i m e nb yt h ex r a yd i f f r a c t i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，b ym i c r o f o r g i n g ，t h el a s e rc l a d d i n gf o r m i n g c r a c k sd e c r e a s ei nt h en u m b e ro fs a m p l e s ，s h o r t e rl e n g t h ，t h es m a l lw i d t ho fc r a c kt h r o u g h 2 t h ec l a d d i n gl a y e rt os c i e n t o l o g yb o d y , a l m o s tn ob r a n c h ，t h e r ea r ed e f e c t se x i s t i n ga tt h e e n do ft h ec r a c k s l a s e rc l a d d i n gf o r m i n gs u r f a c er e s i d u a ls t r e s ss t a t ei sc h a n g e df r o m t e n s i l es t r e s si n t oc o m p r e s s i v es t r e s s t h i ss h o w st h a tm i c r o - f o r g i n gc a ni m p r o v et h e e r a c k i n gb e h a v i o ri nt h ep r o c e s so fs h a p i n gb yc h a n g i n g t h el a s e rc l a d d i n gs u r f a c er e s i d u a l s t r e s ss t a t e i nt h i ss t u d y , i ti sau s e f u la t t e m p tt oi m p r o v et h el a s e rc l a d d i n gf o r m i n gc r a f t ，a n da t r i v i a le x p l o r i n gf o rt h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o nt h eo fl a s e rc l a d d i n gf o r m i n g t e c h n o l o g y d o n gy a n ( m a c h i n e r ym a n u f a c t u m i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yc h a n g j u no i u k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；r a p i df o r m i n g ；m i c r o - f o r g i n g ；c r a c k ；r e s i d u a ls t r e s s ； x - r a yd i f f r a c t i o n 3 1 1 快速成型技术 1 1 1 概述 第一章绪论 上个世纪末，随着冷战时代的结束，市场环境发生了巨大的变化。一方面表现为 消费者需求日趋主体化、个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们着眼于全球市 场的激烈竞争。面对市场，产品制造商们不但要很快地设计出符合人们消费需求的产 品，而且必须很快地生产制造出来，抢占市场。因此，以往传统的大批量生产模式对 市场的响应就显得越来越迟缓与被动。快速成型响应市场需求，已成为制造业发展的 重要走向。为此，近年来发达国家一直在不遗余力地开发先进制造技术，以提高制造 业的水平，以便在激烈的全球竞争中占有一席之地。与此同时，计算机技术、激光技 术、精密机械、自动化、新材料等技术的快速发展使得制造工程与科学取得了前所未 有的成就。快速成型技术就是在这种背景下逐步形成并得以发展的。快速成型技术的 发展，使得产品设计、制造的周期大大缩短，提高了产品设计、制造的一次成品率， 降低了产品开发成本，给制造业带来了根本性的变化。 1 1 2 快速成型技术的概念、原理、特点 快速成型技术是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控技术、反求工程技术、 激光技术和材料科学为一体的新兴技术，能快速将c a d 三维模型制成实物原型。 快速成型技术的原理是：采用离散堆积原理，在成形概念上，以材料添加为基 本思想，将计算机三维实体软件产生的零件模型，用分层切片软件对其进行处理，获 得各截面形状的信息参数，然后通过快速成型系统最终形成具有一定外形的三维实体 零件，如图1 1 所示。 快速成型技术不仅提高了c a d 模型的可视性和直观性，而且将快速成型技术与 精密铸造等加工工艺结合起来，可以快速、经济地制造供小批量生产用模具，从而能 4 小批量生产塑料件和金属件，为新产品试制提供良好的条件。 快速成型技术的特点是： ( 1 ) 制造快速，并且具有高度的柔性，从产品模型建立到产品制造成形，一般 只需几个小时到十几个小时； ( 2 ) 技术集成度高，集成了计算机辅助设计、精密机械、数控技术、反求工程 技术、激光技术和材料科学等技术； ( 3 ) 可选择的材料广泛，如树脂类、纸类、复合材料、金属粉末等； ( 4 ) 降低了研究和开发成本，适应现代市场竞争要求。 1 1 3 几种典型的快速成型工艺 ( 1 ) 分层实体制造( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，l o m ) ，该工艺采用激光 切割箔材，箔材之间靠热熔胶在热压辊的作用下溶化并实现粘接，一层层叠加后制造 出实体，分层实体制造方法和设各自1 9 9 1 年闯世以来，得到迅速发展。目前世界上 投人使用的设备，主要有美国h e l i s y s 公司的纸张叠层造型l o m 系列、新加坡 k i n e r g y 公司的z i p p y 型薄形材料选择性切割成型机等。 ( 2 ) 熔融沉积制造( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，f d m ) ，该工艺采用的丝状成 型材料和支撑材料由供丝机构送至各自对应的喷头，并在喷头中加热至熔融态，另外 5 加热喷头在计算机的控制下按照相关截面轮廓的信息作x - y 平面运动，同时挤压并 控制液体流量，使粘稠液体均匀地铺撤在断面层上。这样成型材料和支撑材料就被选 择性地涂在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓，一层成型完成后，喷头上升一截面 层的高度再进行下一层的涂覆如此循环，最终形成三维产品。目前，研究这种工艺的 主要有s t r a t a s y s 公司和m e dm o d e l e r 公司并且这种技术以美国s t r a t a s y s 公司开发的 产品制造系统应用最为广泛。 ( 3 ) 三维打印( t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ，3 d p ) ，该工艺采用住店喷洒粘结剂 来粘结粉末材料的方法来制造实体。三维打印成型系统成型零件的工作过程包括以下 步骤：铺撒成型零件用的粉末状物质；在要求的区域喷撒粘结剂；工作台下降 一层高度，例如0 1 咖；重复固，直至零件完成。上述过程可以全部自动完成。 成型零件使用的粉末材料可以是金属、石蜡和塑料等。成型系统直接采用c a d 系统 输出的s t l 格式文件，因此可实现设计与成型的一体化。这种快速成型方法可用于 制作样件或少量地生产零件。 ( 4 ) 选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 该工艺可以分为两种方 式：间接s l s 工艺采用激光逐点逐层烧结粉末材料，使包覆于粉末材料外的固体 粘结剂熔化实现材料的粘结，间接s l s 工艺首先由美国d t m 公司商品化。直接 s l s 工艺采用激光直接照射材料，使粉末材料熔融烧结实现材料的粘结。这种工艺是 最早用于制造金属零件的快速成型工艺，也是最早制造商品化金属零件的方法，它使 用的材料主要是金属基和陶瓷基粉末【1 】o ( 5 ) 激光熔覆快速成型技术，也称为激光净形技术( l a s e re n g i n e e r i n gn e t s h a p i n g ，l e n s ) ，直接光制造技术( d i r e c t e dl a s e rf a b r i c a t i o n ，d l f ) 直接金属沉积 技术( d i r e c t e dm e t a ld e p o s i t i o n ，d m d ) 和激光共凝固技术( l a s e rc o n s o l i d a t i o n ， l c ) ，是近年来在激光熔覆技术和快速成型技术的基础上发展起来的一种新技术【2 1 。 6 1 2 激光熔覆快速成型技术 1 2 1 激光熔覆技术概述 传统的激光熔覆亦称激光包覆，激光熔敷，是材料表面改性技术的一种重要方 法，它是利用高能激光束( 1 0 4 。1 0 6 w c m 2 ) 在金属表面照射，通过迅速熔化、扩展和 迅速凝固，冷却速度通常达到1 0 2 。1 0 6 s ，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化 学或力学性能的材料，从而构成一种新的复合材料，使得工件具有耐热、耐腐蚀、抗 氧化、抗疲劳等性能。 1 2 2 激光熔覆快速成型技术概述 激光熔覆快速成型技术实质上就是计算机控制的三维激光熔覆，它的原理是喷射 的金属粉末被激光溶化，然后凝固，从点到线，从线到面( 层) ，再从面到三维实体， 从而成型致密的金属零件。与其它快速成型工艺不同的是，成型材料有专门的输送系 统和喷嘴，而且是不覆膜的金属粉末( 或其他材料) 。 激光熔覆快速成型技术的工艺过程是：由计算机三维实体软件产生零件的c a d 模型，并用分层切片软件对其进行处理，形成分层文件，从而获得各截面形状的信息 参数，作为工作台进行移动的轨迹参数。然后通过接口软件使工作台在计算机的控制 下，根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时，用激光熔覆的方法将材料进 行逐层堆积，最终形成具有一定外形的三维实体零件。如图1 2 所示【3 】。 7 耀 f l _ _ - 图1 2 利用激光熔覆快速成型技术制造零件 激光熔覆快速成型技术的特点是： ( 1 ) 具有高度的柔性，在计算机的控制下可以方便迅速地制作出传统加工方法 难以实现的复杂形状的零件，例如具有复杂凸凹部分及中空的零件。 ( 2 ) 技术的高度集成，它是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术的综 合集成。 ( 3 ) 生产周期短，效率高。由于该技术是建立在高度技术集成的基础之上，从 c a d 设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时，这一特点使其特别适合于新产 品的开发。 ( 4 ) 提高了设计的灵活性。通过改变c a d 模型文件可使设计工程师方便、经济 地对零件进行修改补充，还可以灵活改变零件不同部位的成分，使零件具有优异的综 合性能。 ( 5 ) 不需要制作昂贵的工模具，生产成本低。 ( 6 ) 成型精确，减少了后处理工序。 ( 7 ) 可加工材料广泛，改变了人们对材料的选择原则，而且材料的利用率极高。 ( 8 ) 激光熔覆成型过程中，不产生废气、废物，不排放废水，噪声很小，不会 对环境造成污染，可以说是一种绿色制造技术。 激光熔覆快速成型技术能够成形包括钛、钴、陶瓷等在内的数十种金属及其合金 和非金属材料，因此其应用相当广泛： ( 1 ) 在新产品开发试制时，向客户或设计开发人员提供具有功能特性的物理模 型，不仅可以从外观和结构方面验证设计方案，而且能够进行功能模拟试验，可以从 应用的角度对设计进行验证； ( 2 ) 单件或小批量产品的生产，可以节省模具制造费用和缩短制造周期； ( 3 ) 结构复杂或难加工材料的零件的制造，有利于新材料的应用和产品结构与 功能的优化； ( 4 ) 贵重零件的修复，特别是航空设备的维修。 鉴于激光熔覆成型技术有着如此众多的优点与特点，国内外众多科研机构都对此 项技术进行了大量的研究，如： 美国s a n d i a 国家实验室开发的l e n s 系统主要由连续n d ：y a g 固体激光器、可 调整气体成分的手套箱、多轴计算机控制定位系统合送粉系统四部分构成，为避免加 工过程中金属材料与空气中氧、氮等元素发生反应，整个加工过程均在惰性气体保护 下的手套箱中进行【侧。现在l o c k h e e dm a r t i n 公司正在对这一系统进行更加深入的研 究，他们在氩气的保护气氛中使用1 8 k w 的连续n d ：y a g 激光器对3 1 6 不锈钢进行 直接成形，在低功率( 3 2 5 w ) 和低的送粉率的条件下获得了好的几何精度和表面粗 糙度( n - i 达到8 o n ) ，但是成型速度较小，只有5 c m 3 hi r l 。 位于德国亚琛的f r a u n h o f e r 激光技术研究所( i l t ) 利用连续激光，融合材料添 加和去除方法开发了控制金属堆积技术( c o n t r o l l e dm e t a lb u i l d u p ) ，在制造不锈钢 零件时，可以达到1 0 0 的致密度，c m b 加工间的体积为6 0 0 6 0 0 x 6 0 0m m 3 ，加 工精度为o 0 2m m1 8 - 1 0 1 。 在国内，对此项技术的研究较晚，西北工业大学凝固技术国家重点实验室黄卫东 教授于1 9 9 5 年在快速原型技术的基础上首先提出了激光直接立体成型的研究思路， 从1 9 9 8 开始，中国有色金属研究院、清华大学、北京航空大学和南京航空航天大学、 中北大学、天津工业大学、北京隆源自动成型系统有限公司等单位也开始进行此方面 的研究【1 1 侧。但总体看来，国内的研究水平在硬件系统、工艺手段和理论水平等方面 与国外的先进水平还存在较大的差距。 9 需要指出的是研究此项技术的科研院所和机构远不止上述所列举的这些，鉴于成 型系统及工艺并不是本文所研究的重点，故本文在此不再赘述。 1 2 3 激光熔覆快速成型技术与激光熔覆技术( 表面处理) 激光熔覆技术原本是一种表面处理工艺，是利用激光把一种特殊成分的合金材料 加热熔化，并通过冶金结合的方式把合金材料熔覆在基体表面上，使表面具有耐磨、 耐腐蚀、抗氧化、抗疲劳等性能。对激光熔覆表面处理来说，着重考虑的是熔覆层的 性能、与基体的结合程度和裂纹的形成倾向，而对熔覆层的成形特性，如尺寸精度、 表面粗糙度和成形能力等较少考虑。因此，一般选取具有特殊性能的合金作为熔覆材 料，以改善表面性能，并且采用宽光斑、大功率的激光进行扫描，以使得熔覆材料和 基体能更好地结合，并得到较大面积的均匀处理，提高处理的质量和效率。激光熔覆 ( 表面处理) 的扫描路径简单，方向变化较少，因此只在基体表面上形成一层熔覆层。 激光熔覆成型金属零件与作为表面处理的激光熔覆完全不同，激光熔覆成型材料 是零件自身的材料，不是考虑改善工件表面性能的特殊材料，不存在熔覆层与异种金 属基体之间的结合问题。熔覆层之间的结合只取决于材料本身的冶金特性。另外，工 件的变形和裂纹的形成除了与温度场的分布有关，只与材料本身的抗变形开裂的能力 有关，材料的抗变形开裂的能力是由材料本身的热物理特性和高温及室温力学性能决 定的，与不同种类的材料的热物理特性的差别无关。在激光熔覆成型金属零件过程中， 已熔覆层或基体表面只有很薄的一层被熔化，重熔深度较小，激光功率和光斑尺寸大 小的决定，取决于零件的尺寸精度要求和表面质量以及成形速度，而且要与扫描速度、 送粉速度等参数配合适当，才能获得所要求的成型工件，而不是仅仅为了达到良好的 冶金结合和高的表面处理效率。与表面处理的情况不同，激光熔覆成型金属零件一般 需要熔覆多层金属，随着熔覆层的增多，熔覆层的热扩散条件发生变化，引起熔池尺 寸变化，对成形效率和成型质量会产生很大的影响。并且，由于零件不同高度的界面 可能不同，激光扫描路径发生的变化也会引起熔覆层能量分布和温度场的变化，从而 对熔池的尺寸产生影响，另外，还存在计算机切片厚度与各熔覆层的高度、制件精度 和表面质量的匹配问题，因此，激光熔覆成型金属零件的工艺参数与激光熔覆( 表面 1 0 处理) 不同，将二者的工艺混为一谈是错误的f 2 1 】。 1 3 研究目的、现状、内容和意义 1 3 1 研究目的 ( 1 ) 提高激光熔覆成型零件的综合性能，为这一工艺的推广、广泛应用提供了 有价值的参考和工艺改进方法。 ( 2 ) 阐明微锻造通过改变激光熔覆成型试样表面的残余应力状态来降低其开裂 敏感性。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 用自制的微锻造装置同激光熔覆成型机构配套，对激光熔覆成型试样进行 微锻造处理，得到激光熔覆快速成型试样和经过微锻造的激光熔覆成型试样。 ( 2 ) 分别用体视显微镜和s e m 扫描电镜对经过微锻造处理的激光熔覆成型试样 和未经微锻造处理的激光熔覆成型试样的裂纹情况进行比较。 ( 3 ) 对经过微锻造处理的激光熔覆成型试样和未经微锻造处理的激光熔覆成型 试样进行x 射线衍射测量其残余应力。 1 3 3 研究意义 激光熔覆成型过程中，高能激光束与金属粉末、基材相互作用时，一方面使材料 在激光辐照区中形成特殊的优越的组织结构，如晶粒高度细化，获得高度过饱和的固 溶体等；另一方面，由于材料的熔化、凝固和冷却都是在极快的条件下进行的，如果 成型工艺控制不当，易于在成型件中形成裂纹、气孔、夹杂、层间结合不良等缺陷， 而裂纹是成型过程中最常见、破坏性最大的一种缺吲2 。3 1 。成型过程中裂纹一旦产生， 整个成型过程将被迫终止，同时已成型的金属零件只能报废处理。因此，优化激光熔 覆成型工艺，减少裂纹的产生，提高激光熔覆成型工件的综合性能，对该项技术的工 程化具有非常重要的意义 4 - 5 1 。 本试验在激光熔覆成型系统上增加了微锻造处理系统，采用微观测试分析方法， 对微锻造对激光熔覆成型试样残余应力、裂纹的影响做了研究，为获得高质量的激光 熔覆成型工件提供有价值的参考。 1 4 小结 ( 1 ) 介绍了快速成型技术的概念、原理、特点及几种典型的快速成形工艺。 ( 2 ) 详细介绍了激光熔覆成型技术。 ( 3 ) 阐明了本课题的研究目的、现状、内容和意义。 1 2 第二章残余应力概述 2 1 残余应力的研究发展概况 2 1 1 残余应力的定义与分类 通常把没有外力或外力矩作用而在物体内部依然存在并自身保持平衡的应力叫 做内应力。材料中的内应力分为如下三类。 第1 类残余应力即宏观残余应力( m a c r or e s i d u a ls t r e s s ) ，它在材料较大范围或许 多晶粒范围内存在并保持平衡，在多个连续晶体范围内保持常数，它的大小、方向和 性质可用通常的物理或机械方法进行测量。本文主要研究这种宏观残余应力，以后若 不作特别说明，所谓残余应力均指宏观残余应力。 第类残余应力称为微观结构应力( s t r u c t u r a lm i c r os t r e s s ) 。它存在于晶粒尺度 内( 一个或少数几个晶粒范围内) 并保持平衡，在一个或几个晶粒的部分范围内保持均 匀。它出现在不同相材料或不同物理性质材料间，或出现在夹杂物、复合材料基体间。 第类残余应力称为晶内亚结构应力( s u b s t r u c t u r a ls t r e s s ) 。它是在晶粒若干个原 子范围内存在并在晶粒一小部分内保持平衡，在晶体亚结构范围内大小不均匀。第三 类残余应力平衡状态的破坏，不会引起构件宏观尺寸变化。 这三类残余应力的叠加决定了材料内某一点残余应力总值网。 2 1 2 残余应力的产生 ( 1 ) 不均匀塑性变形产生的残余应力证帕 任何引起非均匀分布的弹塑性变形都会引起材料内相邻部分应变不协调，从而产 生的一类残余应力。当施加外载荷时，构件一部分区域进入塑性状态；卸载后，由于 塑性变形的不可恢复性，塑性变形部分限制了相邻部分变形的恢复，因而产生了残余 应力。 ( 2 ) 热作用产生的残余应力 构件在加热和冷却过程中，由于物体几何形状复杂不对称等因素，构件各部分的 热传导状态不同，从而构件所产生的塑性变形也是不均匀的。热作用产生的不均匀塑 性变形，会产生第一类残余应力。即使金属材料热处理时内外相变均匀，只要材料各 部分相变存在就会导致残余应力。淬火、回火、热轧、锻造等热加工工艺均会出现残 余应力。 ( 3 ) 化学变化产生的残余应力 这种残余应力是由于构件表面向内部扩展的化学和物理化学的变化而产生的。 2 1 3 激光熔覆成型残余应力概述 因激光熔覆成型过程中固有的极端温度场梯度、材料热效应梯度，从而在成型件 内部诱发高残余拉应力，并对成型件的机械力学性能、结构尺寸稳定性、成型精度、 应力腐蚀性能等方面产生负面影响。此种高残余拉应力诱发的微裂纹缺陷，将严重影 响激光金属直接成型技术的广泛工业应用。因此研究激光熔覆成型过程残余应力与裂 纹的形成机理、分布特性和相应的调控方法有重要的科学意义和工业应用价值。文献 研究结果表明：激光熔覆成型过程诱发的残余应力以拉应力为主，极端材料热力耦合 效应梯度是诱发残余应力的主因，并通过f e m 数值仿真展示了其过程。微裂纹形成 的根本原因是成型材料组织为快速凝固形成的铸造、态，其本身韧性偏低难以承受大 的残余拉应力。文献的研究结果表明：激光熔覆成型的力学性能强烈地依赖于成型体 内裂纹的几何特征参数与孔隙率。这些研究结果表明：解决激光熔覆成型过程中的微 裂纹，增加成型件的机械力学性能应在二方面展开：( 1 ) 改进成型件的微观组织增加 激光熔覆沉积材料层的韧性；( 2 ) 控制激光熔覆成型过程中产生的孔隙与高残余拉应 力及其诱发的裂纹。 2 1 4 残余应力的测试和评估 目前传统残余应力的测量方法主要分为两大类。机械法。有取条法、切槽法、 剥层法、盲孔法等。机械法测量残余应力需释放应力，这就需要对工件局部分离或者 分割，从而会对工件造成一定的损伤或者破坏，但机械法理论完善，技术成熟，目前 1 4 在现场测试中广泛应用，其中尤以浅盲孔法的破坏性最小。物理检测法。主要有x 射线法、超声法和磁性法。这些方法均属无损检测法，对工件不会造成破坏。 ( 1 ) 盲孔法 假定物体表面存在残余应力，此应力处于平面应力状态，在该平面某点上钻一个 小孔，孔边的径向应力下降为零，孔区附近应力重新分布【2 5 1 。盲孔法测量残余应力也 可以采用光弹覆膜法。光弹覆膜法严格说属于一种光学方法，它是应用光学中的偏光 性进行应力测定的，覆膜材料采用酚醛系或醇酸系树脂。光弹法测量残余应力，应变 测定范围大，测定精度耐2 5 1 。 ( 2 ) 射线衍射法 o x 射线衍射法 x 射线衍射法依据x 射线衍射原理，即布拉格定律。 采用x 射线衍射法测量残余应力准确、可靠，特别当应力在小范围内急剧变化时 最有效。此方法可测量出绝对残余应力，还分别测算出轴向、切向和径向上的残余应 力，是确定陶瓷残余应力及弯曲面和球面最常用的方法嘲朋1 。 x 射线衍射法需要价格昂贵的x 射线衍射仪。目前国内外厂商生产的x 射线衍射 仪的产品很多，如芬兰s t r e s s t e c h 公司生产的s t r e s s 3 0 0 0 便携式x 射线应力分析仪。 2 ) 中子射线衍射法 中子射线衍射法以中子流为入射束，照射试样，当晶面符合布拉格条件时，产生 衍射，得到衍射峰并通过研究衍射束的峰值位置和强度，可获得应力或应变及结构的 数据。该方法的原理与普通x 射线衍射方法类。主要差别在于x 射线是由电子壳层 散射的，而中子射线是由原子核散射的，中子的穿透深度比x 射线大的多，对于钢 可达5 0 i n l n ，可用来测量钢的焊接结构沿层深的残余应力。为了获取高分辨率，需要 高强度中子束，因此，只有反应堆或中子加速度器才能满足要求【2 8 1 。 ( 3 ) 超声波法 超声应力测量是建立在声弹性理论基础上，利用受应力材料中的声双折射现象。 当没有应力作用时，超声波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力作用时传播速度 不同，利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力例。超声波法测量残余应力 的特点，首先是无损测定构件的表面应力和内部应力( 包括载荷作用应力和残余应 1 5 力) ，测量的应力为沿超声波传播路径的平均值。 目前，超声波检测残余应力的应用程度还远不及x 射线测量，但是相对于其他 检测手段所独有的优势，使这种方法随着技术的进步而日益完掣3 0 ，3 。 ( 4 ) 扫描电子声显微镜【3 2 】 扫描电子声显微镜( s e a m ) 是将扫描电子显微镜和声学技术结合而研制成的技 术。该技术基于热波成像原理，当一束周期性强度调制的电子束经聚焦入射于试样时， 试样表面受到局部的周期加热，激发出热波，利用热波在试样中的传播对材料热学或 热弹性质的微小变化进行成像，这些宏观量的微小变化是由于试样的局部晶格结构的 改变而引起的，因此它能反映出光学和电子显微镜不能反映的微观热性质或熟弹性质 的差异，可用于残余应力的定征，由此得到的电子声图象显示了在金属中由韦氏硬度 压痕引起的残余应力的横向分布，并且利用扫描电子声显微镜独特的分层成像能力， 揭示了残余应力的深度分布状况，使测定残余应力三维分布成为可能。 扫描电子声显微镜( s e a m ) 的穿透能力较强，适合对不透明材料中的残余应力进 行无损测定。 ( 5 ) 激光超声检测法【3 3 】 人们对用p z t 换能器、e m a t 探头和声显微镜等技术测量表面波声速来评估其 近表面的应力分布，做了大量研究。结果表明，可以用测得的材料自由表面上传播的 表面波声速的大小变化来评估其残余应力的分布。但应力所引起的声速相对变化很 小，检测难度很大。激光超声是最近发展起来的无损检测技术，其显著优点是非接触、 高的空间和时间分辨率，容实现高精度测量，己被成功用来表征材料的表面特性。 激光超声法的原理是用n d ：y a g ( 钱忆铝石馏石) 脉冲激光激发声表面波，并用外 差激光干涉仪接收。并通过测得的表面波声速在不同位置上的相对变化来反映材料的 残余应力分布。对无残余应力、有压缩残余应力、有拉伸残余应力的三个试样应力分 布，进行了实验测定。结果证实了试样的残余应力分布可引发声表面波在不同位置上 声速的相对变化，也证实了激光激发声表面波及其接收技术是一种无损检测材料内残 余应力分布的有效方法。 根据1 9 9 8 年英国皇家实验中心k ) 所作的统计调查表明，目前国际上应用最 为广泛的残余应力测试技术依次为钻孔法( 3 0 ) 、x 射线衍射法( 2 0 ) 、中子射线衍射 1 6 法( 1 9 ) 、剥层法( 1 6 ) ，其他方法( 磁性法、超声波法等) 占9 。 2 2 残余应力调整与消除方法概述 所谓残余应力的调整，是指针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施， 消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分 布；而所谓残余应力的消除，则是指采取各种方法来降低或消除存在于工件中的残余 应力。最常用的是热作用法和机械作用方法f 蚓。 ( 1 ) 热作用法 加热消除残余应力可以用各种各样的方法，一般的退火是在一定温度下作长时间 保温，此法虽需要较高的操作费用，但可以把残余应力完全消除。这种方法也有不利 的方面，这就是在6 0 0 以上对钢进行退火时，有脱碳或表面氧化，并进而使构件软 化等一些有害的缺点。 ( 2 ) 机械作用法 机械的方法是利用外力使材料内产生塑性变形来达到降低残余应力的目的。理论 上讲，只要外力使性质均匀的构件整体同时达到屈服，全部消除残余应力是可能的。 但实际上由于种种困难，用这种方法想把应力完全消除是难以实现的。在某些场合下， 它往往是把残余应力降低和重新分布作为主要目的。相对热作用法，机械法不会是强 度性能下降，并且不需要炉子之类的热处理设备，从实用的角度上看是经济的。机械 对残余应力的调整，主要包括表面滚压、表面喷丸、校正等；机械法对残余应力的消 除主要包括局部塑性变形法、振动消除法等。 局部塑性变形法即施加静载，使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形，以 调整工件的残余应力。例如大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，即所谓的“胀 形”，使焊接接头发生微量塑性变形，以减小焊接残余应力。 振动消除也称振动时效，英文叫做v i b r a t i o ns t r e s sr e l i e f , 简称v s r 。在国际上， 工业发达国家起始于上世纪5 0 年代，我国从7 0 年代研究和推广。振动消除应力主要 特点g ( 1 ) 、处理时间短； 1 7 ( 2 ) 、适用范围广； ( 3 ) 、能源消耗少； ( 4 ) 、设备投资小，操作简便。 2 3x 射线衍射测量残余应力原理 测量原理基于x 射线衍射理论。x 射线的波长入、衍射晶面间距d 和衍射角20 之间遵从著名的布拉格定律： 2 d s i n0 = n 九 ( n = 1 ，2 ，3 ) 在已知x 射线波长入的条件下，i 布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角20 与微 观的晶面间距d 建立起确定的关系。当材料中有应力。存在时，其晶面间距必然随晶 面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角20 也会相应改变。 因此我们有可能通过测量衍射角20 随晶面取向不同而发生的变化来求得应力o 。 o = k m m _! 兰皇 as i n2 砂 z 表面法线( 入射线) | 熬 冬够 套义 面法线) ( 衍射线) 图2 4 x 射线衍射原理图图 2 5x 射线衍射测应力 式中k 为应力常数， 小一赤2 0 + 铅卫1 8 0) 。” 式中e 为杨氏模量，p 为泊松比，。为无应力状态的布拉格角。对于指定材料， k 值可以从资料中查出或通过实验求出。这样，测定应力的实质问题就变成了选定若 干v 角测定的衍射角20 。 2 4 小结 本章简要介绍了残余应力的产生、分类、测量及常用的消除方法，介绍了x 射 线衍射测量残余应力的原理。 1 9 第三章微锻造对试样表面残余应力的影响 激光熔覆成型具有急热急冷的特性，在成型过程中经激光加热，熔覆层和基体材 料表面由固态金属转变为液态金属，再由液态金属结晶转变为固态金属，并迅速冷却 至室温，这个物态和相的变化过程中伴随着金属体积的变化，从而引起组织的形变并 产生内应力。这种内应力一般为拉应力，当此内应力大于材料的抗形变能力时，熔覆 层将产生裂纹。如果能改变激光熔覆成型中熔覆层的残余应力状态，就能有效地改善 激光熔覆成型中的开裂行为。 本实验拟采用微锻造处理来改变激光熔覆成型中的残余应力状态进而改善其开 裂行为。由于激光熔覆成型试验成本较高，为了避免大的经济损失，要在激光熔覆成 型试验之前进行一个初步探讨：微锻造能否改变试样表面的残余应力状态。 3 j1 试验设计 在基材上进行热喷涂，对其进行用自制的微锻造装置进行微锻造处理，然后对经 过微锻造处理和没有经过微锻造处理的喷纯铝试样用x 射线衍射仪测量其残余应力， 观察其残余应力的变化，预期微锻造对激光熔覆成型残余应力、开裂行为的影响。 表3 1 初步探讨试验设计： 基体粉末喷涂层厚度微锻频率 1 0 0 m m x l 5 m m x 3 m m 的2 蝴纯铝粉末 o 3 0 4 m m2 0 h z 因为激光熔覆成型试验的成型粉末将采用n i 6 0 a a 粉末，微锻造处理采用热锻， 温度在8 0 0 。c 左右，由于纯铝粉末和n i 基合金粉末在此温度下的热塑变形性能很相 似，所以择纯铝粉末作为喷涂粉末。 3 2 试样制备 用线切割切出2 个1 2 m m 1 8 m m 的试样，一个为仅喷了纯铝的试样，另外一个 为喷纯铝后经过微锻处理的试样。 基 材 图3 1 微锻造机构工作图 3 3 残余应力测量 图3 1 2 喷纯铝后进行微锻处理效果图 对喷纯铝没有经过微锻造和进行过微锻造的2 个试样用中南大学粉末冶金学院 实验室x 射线衍射仪测量其残余应力。喷纯铝无微锻试样测量结果如下所示： 2 1 p i r a 咄曲is i l l ( p i ) 22 - t h e t ad ( ? ) ( d - d 0 ) d s s h a l o e m 绝w f w h m h e i g h t f i l en a m e 冈0 0 田1 5 d 豳3 0 0 冈笛0 00 0 0 011 2 1 9 0 ( 0 0 0 3 ) 0 9 2 8 1 ( 0 0 0 0 0 ) 一 00 i 6 711 2 1 7 1 ( o 0 0 2 ) 0 9 2 8 2 ( 0 0 0 0 0 ) 0 0 1 2 ( 0 0 0 5 ) 【1 1 5 m w s t r e s s 1 5 00 2 5 011 2 1 5 2 ( 0 0 0 3 ) 0 9 2 9 3 ( o o o o o ) 0 0 2 3 ( 0 o o e ) n 3 0 r a w s t r e s s - 3 0 00 5 0 011 2 1 1 6 ( o 0 0 7 ) 0 9 2 8 5 ( o o o o i ) o o 州o 0 0 9 ) - t e n s i l es t r e s s = 4 9 2 0 ( 7 4 2 ) m p a 正芦7 0 o = d o 3 ，v = o 司，r _ 0 p 9 4 , p a r a b o l i cf i t ；4 1 ，a = 0 ，b = 0 0 9 1 ( 0 0 1 4 *