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增材减材制造钛合金材料性能完整性研究

【摘要】:材料、结构、功能一体化的高性能零件制造是制造工艺未来的重要发展方向。增材减材制造(Additive and Subtractive Manufacturing,ASM)结合了增材和减材两种工艺,既可以通过控制增材工艺参数成形复杂的几何结构并对零件晶粒组织进行一定调控,又可以通过减材工艺保证零件的精度和表面质量,是一种符合“形/性一体化控制”要求的高性能零件制造方法。材料性能完整性包括零件微观晶粒组织、残余应力状态、零件内外部缺陷分布等,可以反映零件总体的使役性能。ASM工艺主要应用于关键金属零件的制造,对材料性能完整性的要求较高,但基于ASM工艺的材料性能完整性研究目前仍然处于起步阶段,其中增材工件晶粒组织演化过程预测及调控机理、增材与减材共同作用下的ASM工件残余应力产生及分布规律等关键问题有待进一步研究。此外,增材过程易引入表面和内部缺陷,虽然ASM工艺本身具有在线去除缺陷的能力,但目前缺乏适合的缺陷检测手段及相应的检测工艺。针对以上ASM工艺材料性能完整性存在的问题,本文的主要研究内容及结论如下:(1)利用Abaqus有限元软件构建了 Ti-6A1-4V直接激光沉积(Direct laser deposition,DLD)工艺过程传热分析数值模型,建立了 DLD工艺参数与工件温度历程之间的联系,并进行了相应的温度实验验证。结果表明:后增材成形层的循环加热使部分DLD增材成形材料在自身成形后经历重熔和凝固过程,同时对未重熔区产生热影响,导致固态晶粒产生粗化现象。固态晶粒组织演变是影响工件最终晶粒组织的重要因素。(2)基于对DLD增材工件晶粒组织演化过程的分析,跨尺度结合了有限元法、元胞自动机法和蒙特卡洛法,利用MATLAB软件建立了考虑重熔及固态晶粒粗化的增材晶粒组织数值预测模型并进行了实验验证。揭示了 DLD成形中晶粒组织的形成机理,并基于该机理和模型预测结果设计了晶粒组织调控工艺实验,成功实现了单道多层DLD工件晶粒组织一定程度的调控。结果表明:随着沉积层数的从1层增加到6层,DLD增材工件平均晶粒宽度从118μm逐渐增加到152μm,沿增材生长方向的柱状晶形貌逐渐显著,重熔区面积不断增加,但增加幅度逐渐减小。重熔区内晶粒比较细小,而紧邻重熔区的热影响区晶粒由于固态晶粒长大而呈现一定粗化趋势,因此中间高度区域的晶粒尺寸较大,而顶部晶粒尺寸较小。通过控制工艺参数来调节热影响区深度d与每层提升量△Z之间的关系,可以实现对单道多层DLD增材工件晶粒形态及尺寸一定程度的调控。(3)为了研究增材及减材残余应力叠加条件下,ASM工件残余应力形成及分布规律,针对ASM工艺中应用广泛的铣削减材方式,首先通过构建的铣削残余应力有限元预测模型研究了单一铣削残余应力产生及分布规律。而后,基于初始增材工件进行铣削实验及残余应力测量,获得了不同铣削参数下ASM工件残余应力分布,结合单一增材及铣削残余应力分布特点,对ASM残余应力进行分析。结果表明:ASM工件残余应力是增材和减材工艺共同作用的结果,初始增材残余应力在近表面深度范围均为拉应力。在本论文铣削参数下,侧铣主要受后刀面犁耕作用影响,在加工表面引入压应力。随着径向切深的增加,铣削残余压应力逐渐增加,当铣削引入残余压应力足够大时,可以将ASM工件表面整体残余应力转变为压应力,但由于减材残余应力影响范围较小,随着深度增加,ASM工件残余应力逐渐变为以原增材拉应力为主。(4)提出了将涡流检测(Eddy current detection,ECD)与ASM工艺相结合的制造及缺陷检测方法,将涡流检测过程离散化以适应离散化的ASM工艺并拓展检测范围。验证了 ASM试样内部缺陷ECD检测的可行性,同时研究了激励频率、试样温度和缺陷宽度等参数对ECD检测信号的影响规律,建立了 ECD涡流场分布数值模型以优化检测参数;针对边界效应对ECD检测范围的限制问题,进行了模拟及实验分析。结果表明:ECD能够检测深度为1.2mm、宽度最小为0.2mm的增材亚表面窄缝型缺陷;随着试样温度的升高,信号电抗值近线性增加;随着缺陷宽度的增加,ECD信号强度也随之增加;ECD探头采用平行于试样边界轮廓的扫描方式可以排除边界效应的干扰。

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