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激光锻造复合增材制造316L不锈钢工艺参数及残余应力研究

【摘要】:增材制造具备快速、柔性和绿色制造等技术优势,在航空航天、国防工业和生物医疗方面具有重要应用前景。然而,增材制造技术目前存在零件成形精度低和力学性能不足等瓶颈难题。针对上述技术瓶颈,现已出现若干种既保持增材制造技术优点,又能吸收传统技术优势的复合增材制造技术,为瓶颈难题的解决提供了新路径。激光锻造复合增材制造作为一种全新的复合增材制造技术,其辅助工艺激光锻造源于激光喷丸强化技术,可利用脉冲激光诱发的GPa量级冲击波对中高温金属沉积层进行“锻造”,可有效重构应力分布。本文系统论述了激光锻造复合增材制造316L不锈钢工艺参数及成形零件残余应力分布规律方面的研究工作,主要研究内容和成果如下:揭示了激光增材制造零件残余应力形成原因及分布规律。首先通过对增材制造过程中材料应力应变关系进行计算与分析,得出了残余应力形成的本质原因是材料内部发生了不一致的塑性变形。然后建立了基于热应力平衡方程的数值模型模拟316L不锈钢沉积制造过程,温度场与应力场结果验证了残余应力形成与陡峭温度梯度导致的不一致收缩具有密切关系,揭示了成形零件残余应力分布方向与扫描方向一致且主要表现为拉应力的规律,也为后面激光锻造工艺参数研究提供了基础。提出了无约束模式下激光锻造冲击波压力模型。激光锻造虽然源于激光喷丸强化,但与其有非常大的区别,其中一点就是激光锻造利用脉冲激光直接作用在中高温金属沉积层表面而产生冲击波,无任何约束层。基于此,修改了Fabbro激光冲击波压力模型,利用理想气体代替了原有模型中的约束层,对高温下脉冲激光与材料相互作用过程建立了物理模型,提出了无约束模式下的激光锻造冲击波压力数学模型。确定了激光锻造复合增材制造工艺参数的选择依据。根据材料锻造特性选择的锻造温度区间是最基本的工艺参数,它确定了材料在该温度区间下发生塑性变形所需的冲击波压力,冲击波压力的大小确定脉冲激光能量密度。根据锻造温度区间和温度场模拟结果确定的锻造时间窗口确定了脉冲激光重复频率。锻造温度区间、脉冲能量密度和重复频率确定了激光锻造工艺参数。最后选择与激光锻造工艺参数相匹配的成形工艺参数。研究了激光锻造复合增材制造工艺下成形零件残余应力分布规律。设计了普通增材制造、激光喷丸强化和激光锻造复合增材制造三组试验,分别获得了普通试样、喷丸试样(对普通试样进行喷丸强化处理)和激光锻造试样在深度方向上的残余应力分布数据。结果表明,普通试样主要是残余拉应力,喷丸试样有效植入残余压应力,而激光锻造试样不仅表现为残余压应力,且较激光喷丸试样深度更深、幅值更高。这证实了激光锻造复合增材制造工艺能够有效减小成形零件残余拉应力危害,实现应力分布重构。综上所述,本文以激光锻造复合增材制造316L不锈钢工艺参数及成形零件残余应力分布规律为研究内容,首先通过数值模拟方法揭示了增材制造成形零件残余应力形成原因及分布规律,其次在Fabbro模型基础上提出了无约束模式下激光锻造冲击波压力模型,在这两步工作的基础上,然后确定了激光锻造复合增材制造工艺参数的选择依据,最后设计试验研究了激光锻造复合增材制造成形零件残余应力分布规律,验证了该复合增材制造技术可实现应力重构,为将来的深入研究奠定了基础。

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