激光快速成形中残余应力分布特性的实验研究

激光快速成形中残余应力分布特性的实验研究

激光快速成像技术是20世纪90年代中期出现并迅速发展的一种新的先进成像技术。它的优点是，rapidprototecture（ep）可以自由填充，这与激光熔盖技术可以在基质表面上获得性能优异的溶凝组织特征。它可以直接形成高性能复杂结构和致密金属零件，具有高张力、短周期、低成本、快速市场响应等特点。该技术以高能激光束作为移动热源,一方面,为材料加工提供了常规手段无法实现的极端条件,从而使成形件的组织细密、性能良好;但另一方面,局部热输入导致的不均匀温度场必然引起局部热效应,表现在熔池在凝固及随后的冷却中将承受拉伸应力的作用,同时在成形零件中形成残余应力和变形。这将对成形件的静载强度、疲劳强度、断裂韧性等性能造成较大的影响,并可能直接引发裂纹缺陷,它的存在对零件的实际使用不利。关于激光快速成形件中残余应力的研究国外已开始有报道,而目前国内尚未见有这方面的研究报道。本试验采用实验方法研究了Ni20自熔合金粉末激光快速成形试件中残余应力的分布特性,为进一步描述和控制激光快速成形过程中应力分布提供实验基础。1实验1.1熔覆材料的制备基体材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢,基材尺寸为120mm×30mm×4mm,熔覆材料选用成形性良好的Ni20自熔合金粉末,粉末粒度为74µm~95µm,成形实验前对粉末进行2次筛分和真空烘干处理。采用优化的工艺参数(见表1)在不锈钢基材表面单道多层熔覆Ni20合金,制备1组尺寸为120mm×40mm×3mm的试件。1.2应力测试注意事项考虑到实验的可操作性,本实验选用相对比较成熟的小孔法来测定成形试件中的残余应力,美国材料试验协会(ASTM)已于1981年制定了小孔法的标准。小孔法的原理是:在存在应力场的工件中钻1个小孔,小孔周围的局部应力平衡受到破坏,则孔周围的应力将重新调整,测得孔附近的应力变化,就可以用弹性力学原理来推算出小孔处的应力。为了保证测量的准确性和可靠性,应力测试过程需注意以下几个问题:1)小孔法测试残余应力时需要在试样表面粘贴应变计,为了保证应变片和成形试件表面紧密结合,粘贴前对试样表面进行去毛刺、金相砂纸打磨处理;2)按与水平方向呈0°,45°,90°的角度在成形试件表面粘贴应变片,小孔中心到应变片敏感栅中心距离取3mm,以减少孔边塑性应变的影响(见图1);3)小孔直径取为2mm,沿成形试件厚度方向钻通孔,同时所钻小孔的孔间距均大于12mm,避免孔与孔之间的影响;4)为了考察残余应力沿成形试件长度及高度方向上的分布特征,按图2所示分布测试点;5)考虑到钻削热对应变读数的影响,采用平均值法求得释放应变,即在钻孔后35min(或更长)内每隔5min读取1次应变值,再取应变平均值。2结果与分析2.1应力释放系数的确定残余应力由下式计算:式中:ε1,ε2,ε3分别为1,2,3应变计的读数;σ1,σ2为主应力;γ为X方向与主应力σ1之间的夹角;σx,σy分别为X方向和Y方向应力。(1)式中的释放系数A,B由下式计算:式中:a为所钻通孔半径;r1,r2分别为应变片两端到小孔中心的距离;E为熔覆材料的弹性模量;µ为熔覆材料的泊松比。由(2)式可得:将应力释放系数及3个应变片的值代入(1)式即可求得残余应力值及方向。2.2拉应力及压应力图3表示不同熔覆高度处σx,σy在X方向(即光束扫描方向或试样长度方向)上的分布特征。图3表明,σx在靠近基材处均为压应力,随熔覆层数的增加,压应力数值减小并逐步改变为拉应力,而且拉应力的数值随熔覆层数的增加呈现增加趋势。而σy在靠近基材处均为拉应力,随熔覆层数的增加,拉应力数值减小并有改变为压应力的趋势。图4表示沿熔覆试样长度方向上不同位置处σx,σy在Y方向(即熔覆高度方向)上的分布特征。图4表明,σx沿熔覆高度方向上大致呈对称分布,靠近基材一侧为压应力,靠近熔覆层外表面一侧为拉应力,而且这种分布特征在整个熔覆长度上保持不变。而σy沿熔覆高度方向上基本表现为拉应力。2.3残余应力及其积累激光快速成形过程中,熔覆层及基材经受1个极不均匀的急热急冷作用。在高能激光束的作用下,熔池及其附近部位以远高于周围区域的速度被急剧加热,并局部熔化、凝固及冷却。熔化区域在随后的凝固冷却过程中不可能自由收缩,其收缩变形将受到周围区域的束缚,因此,熔覆层必将受到1个拉伸应力的作用。图3和图4表明,作用在熔覆金属上的主要残余应力为平行于光束扫描方向的σx,而与光束扫描方向垂直的σy的作用相对较小。沿熔覆长度方向上,随熔覆过程的进行σx由压应力转变为拉应力并且拉应力值逐层增大,表明随激光能量的不断输入,残余应力积累效应增大。陈静等的研究结果表明,对于开裂敏感性较大的Ni60自熔合金粉末,当熔覆层数增加到一定层数时即产生裂纹,且断裂面与激光束扫描方向近似垂直,这也证实作用于熔覆金属上的与光束扫描方向平行的拉伸应力作用显著,严重时导致成形过程被破坏。3光束扫描方向1)成形试件中残余应力水平不高,属于低残余应力;2)对于板形试件,作用在熔覆金属上的主要残余应力为平行于光束扫描方向的σx,而与光束扫描方向垂直的σy相对较小;3)沿熔覆长度方向上