侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

激光快速成形金属零件的残余应力

2008-06-23 10:39
论恒
关注

   【摘要】:激光快速成形技术是近几年国际上广泛关注的一种先进的实体自由成形技术,能够直接成形高性能的致密金属零件,具有无模具、短周期、低成本、市场响应快等特点。本文简要分析了激光快速成形件残余应力的形成机理及分布规律,概述了残余应力对成形件力学性能、结构尺寸、实际使用等方面的影响,探讨了实验测定残余应力的方法及调整和消除残余应力的有效手段等。  

    引言
  
    激光快速成形技术是一种基于激光熔覆的迭层制造技术,它将快速原型技术(RP)自由成形的优点与激光熔覆技术相结合,能够实现高性能复杂结构、致密金属零件的直接成形,具有高柔性、短周期、低成本、市场响应快等特点,是一种将材料技术与制造技术有机融为一体的“新材料设计、新材料制备与近净成形高性能复杂零件快速成形一体化”新技术。激光快速成形以高能激光束作为移动热源,一方面,激光快速加热冷却为材料加工提供了常规手段无法实现的极端非平衡条件,使成形件具有细小、致密的组织和优异的综合性能;但另一方面,局部热输入造成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冷却过程不一致,从而在成形件中形成残余应力和变形。残余应力作为一种内应力,不仅对成形件的静载强度、疲劳强度和抗应力腐蚀性能等有不利影响 ,而且也影响结构尺寸稳定性和成形精度,严重时会直接引发裂纹缺陷。成形件一旦出现裂纹,成形过程将被迫终止,同时已成形的金属零件只能报废处理,这将大大增加制造成本。因此,要充分发挥激光快速成形技术的优越性,提高成形零件综合质量,研究激光快速成形过程残余应力的形成机理和分布特性具有重要的现实意义。关于激光快速成形过程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。本文初步分析了激光快速成形过程的残余应力问题,为精确描述和控制激光快速成形过程中残余应力分布提供基础。
  
    残余应力的形成机理与分布特性

    激光快速成形属于材料热加工过程,它以高能激光束作为移动热源,局部热输入产生的局部热效应将导致一定残余应力和变形。这主要是是激光束与材料相互作用形成的熔池经历快速加热、熔化和快速冷却、凝固变化,必然产生不均匀热应力和相变应力,结果引起不均匀塑性变形而形成残余应力。具体是激光快速成形过程能量非常集中,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。这部分材料因受热而膨胀,而热膨胀受到周围较冷区域的约束,产生(弹性)热应力。同时,由于受热区域温度升高后屈服极限下降,部分区域的热应力值会超过其屈服极限,因此,熔池部分会形成塑性的热压缩,冷却后就比周围区域相对缩短、变窄或减小,同时由于熔覆层凝固冷却时受到基材冷却收缩的约束,从而在熔覆层中形成残余应力。因此,激光快速成形过程产生残余应力的原因主要归结于以下两方面:  

    1.由于局部热输入造成温度分布不均匀,使得熔池及周围材料产生热应力,在冷却和凝固时相互制约而引起局部热塑性变形,进而产生热残余应力; 

    2.由于熔凝区存在温度梯度且冷却速率不一致,熔池材料在凝固时因相变体积变化不均及相变的不等时性产生的相变应力,进而引起不均匀塑性变形而形成相变残余应力(组织应力)。成形件最终的残余应力往往是上述两种原因的综合结果。激光快速成形过程是一个非常复杂的物理冶金过程,残余应力的形成受诸多因素的影响同样非常复杂,应力大小和分布与熔覆粉材(种类、状态)、基体(材料、状态)、成形路径、成形尺寸及工艺参数的选取等密切相关,一般为三维残余应力。

    残余应力作为一种储存弹性变形能的弹性应力,其量值通常处于引起弹性变形所对应的应力范围内,即在材料的屈服强度σs或σ0.2以下,多是低残余应力,Griffith等人采用全息干涉法测定了快速成形H13钢薄壁件的两向应力,结果显示残余应力数值约为材料屈服强度的20%。激光快速成形过程中熔覆层及基材经受一个极不均匀的快热快冷作用,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,总体来看,熔覆层必将受到一个拉伸应力的作用。下面具体以板状成形件为例进行分析,在分析时忽略板件厚度方向残余应力,且认为残余应力沿该方向呈均匀分布,即处于平面应力状态,依据基体的变形和成形情况来推断成形件的平面应力分布。  

    从成形基体的翘曲变形来初步判断,熔覆层残余应力的分布大致是上高下低,以拉伸应力为主,这从成形过程中出现的裂纹可以解释,实验发现当熔覆一定高度后,开始出现裂纹,且几乎所有的裂纹均沿近似垂直方向发展,即是由于在凝固时或冷却时受熔覆层残余拉应力作用而形成的,相应在底部中会形成压缩残余应力与之相平衡。  

    平行激光扫描方向:从成形基体在成形后发生的翘曲变形来看,平行激光扫描方向应承受拉应力作用,较大的应力将引起熔覆层开裂。分析是由于开始熔覆阶段,熔池和周围材料温差大,熔池材料凝固时同周围材料相互制约,又粉材熔凝收缩沿扫描方向的不协调可能使得该方向应力符号不稳定,但随熔覆层的增加应力状态逐渐稳定下来,主要承受拉应力,从而使基体发生翘曲变形,较大的应力将引起熔覆层开裂。Griffith等人研究了熔覆高度达114mm的薄板件的两向残余应力,结果也表明平行扫描方向残余应力以拉为主。陈静等研究结果表明,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,随激光能量的不断输入,残余应力积累效应增大,严重时导致成形过程被破坏。  

    垂直激光扫描方向:由于熔覆过程中沿该方向层间状态差异由起始熔覆时的较大逐渐趋于平缓,同时多合金元素的影响使得相变应力作用增强,所以该方向的应力状态复杂。在开始熔覆阶段,熔池随热源同步移动,熔池前端凝固,由于冷却收缩程度及冷却速率不同,粉材的凝固受到周围的约束可能受到拉应力作用,但随熔覆层的增加拉应力值会逐渐减小,有改变为压应力的趋势。这是因为随熔覆层的增加,已熔覆层的热量不断积累,降低了局部区域温差,熔覆当前层时已熔覆层相当于预热基体,这在一定程度上可以削弱残余应力的大小,同时后续熔覆的加热过程相当于对已熔覆层起到回火作用,使已熔覆层中的残余应力有部分松弛,这样应力分布(大小及符号)会发生改变,即拉应力逐渐减小,出现压应力。Griffith等人的研究结果也显示垂直激光扫描方向残余应力开始为拉应力,高度到达一定数值后,稳定为压应力。同时,研究表明当熔覆高度增加到一定高度后,两向残余应力数值不再变化,基本稳定下来,即整个熔覆过程处于均衡阶段,残余应力基本保持不变。 

    2残余应力的影响 

    激光快速成形过程由于不均匀温度场引起残余应力,其对成形件的影响主要表现在力学性能、尺寸稳定性、实际应用、组织稳定性等方面。

    对力学性能的影响,高能激光束产生的极端条件使成形件具有优越的组织和性能,但由于残余应力的存在使得这一优越性受到影响,主要是对材料静载强度、疲劳强度、断裂韧性等性能的影响。残余拉应力将降低材料的屈服强度、极限强度及疲劳强度等,当然,一定条件下残余拉应力有利于提高稳定性;残余压应力降低材料的稳定性,相反,残余压应力能减缓应力集中,有效抑制、延缓裂纹拓展而提高材料的疲劳寿命。

    对结构尺寸的影响,激光快速成形实现了零件的近终自由成形,经过少许后期处理即可实际使用。残余应力是一种不稳定的应力状态,它的存在必然影响成形件的结构尺寸。原因是残余应力在外界因素的作用或时效作用下会发生变化(松弛或衰减),其平衡状态受到破坏,导致结构产生二次变形和残余应力的重新分布,从而降低了成形件的刚性和尺寸稳定性;对使用性能的影响,激光快速成形技术目前主要面向国防高科技领域,成形件的服役环境特殊,残余应力的存在将影响成形件的服役寿命。一方面,成形件在服役期间承受载荷所引起的应力和残余应力的共同作用,若两种应力迭加使零件工作应力增大,势必降低成形件的承载能力,造成受载失稳而过早发生断裂;另一方面,残余应力引发破坏的周期往往较长,受服役过程工作温度、工作介质和残余应力的共同作用易引起结构失效,如在高温下由于热应力和残余应力综合作用而引起热裂;在腐蚀介质中使用,残余拉应力的存在会引起应力腐蚀开裂,最终导致结构破坏,降低成形件的使用寿命。  

    对组织稳定性的影响,激光快速成形技术主要进行合金的成形,成形组织多为多相组织,在一定条件下残余应力会引起相转变,使材料微观组织发生变化,从而改变材料在某些特定条件下的使用要求。

    另外,残余应力在一定的环境下也会影响到激光快速制备材料的电学、磁学等物理性能。 

    3残余应力的测试方法  

    从残余应力的影响来看,多数情况下对成形件的使用是不利的,严重时可能造成重大破坏和事故。因此,需要在使用过程严格区别对待和认真处理。  

    目前,对激光快速成形过程残余应力的研究尚不成熟。实验研究激光快速成形过程残余应力的形成机理及分布规律具有重要意义,可以优化成形工艺,控制残余应力的大小和分布,并为采取相应的措施来降低或消除的残余应力的不利影响提供依据。残余应力的测试技术发展至今国内外已达数十种,按测试方法对被测试件有无破坏,可分为物理无损测试法和机械有损测试法两大类。无损测试法有:X-射线衍射法、磁性法、超声波法、中子衍射法等,机械测试法有:分割全释放法、逐层切削法、钻孔法及以钻孔法为基础云纹干涉法和全息干涉法等,其中以钻孔法和X-射线衍射法发展最为成熟,随着工业技术的发展,人们对测量技术提出了越来越高的要求,比较成熟的传统测试方法因自身的局限性而不能完全适用和解决问题,于是追求方便、迅速、准确、直观、无损地反应应力分布的测试方法是目前国内外有关学者努力探索的方向。  

    诸多残余应力测试方法各有优缺点。下面,就实验测试成形件残余应力的方法进行优选:目前,激光快速成形以镍基高温合金、钛合金等非磁性材料为研究重点,故无损磁性法由于只适用于铁磁材料而不适用;X-射线衍射法只能测试材料表层(几十微米内)的残余应力,,不能很好反映成形件内部的应力状态;分割法和逐层剥削法由于测试过程复杂且精度不高,不宜采用;小孔释放法发展和应用最为成熟,其测试原理简单、方法直观,技术上容易实现,尽管受钻孔条件、附加钻削应变、释放系数等的影响,结果有一定误差,但在定性或半定量的考察应力分布时是非常有效的;云纹干涉法和全息干涉法都是以小孔法为基础,并克服了小孔法的不足,进一步提高了测试精度和可靠性,只是试验条件要求苛刻,在有条件的情况下,应该是首选的可行方法。超声波法是近年来发展较为迅速的一种无损检测法,对零件尺寸有一定要求,它的无损性对以后大体积成形件残余应力的测定将非常适用。从测试要求和各测试方法的特点来综合考虑,目前选用小孔释放法测试激光快速成形件的残余应力最为切实可行。  

    4残余应力的调整与消除 

    通过实验确定激光快速成形件的应力分布特性,并反馈优化工艺参数(包括预热和缓冷),可以调节和控制残余应力的分布和大小,但这样并不能完全调整和消除残余应力,要保证零件在实际使用过程中的稳定性和可靠性,需要依据零件的具体服役条件对残余应力做进一步的调整和消除,即采取一定的工艺措施来消除或降低残余应力的不利影响,甚至同时引入有益的残余应力分布。 

    根据残余应力的形成机理,可以知道其总是使得材料处于非稳定平衡的较高能量状态,而热力学上材料总有趋向低能量稳定平衡态的趋势或驱动力,即残余应力是一种不稳定的应力状态,在外界因素的作用下将发生松弛或衰减。因此,要进一步调整和消除残余应力,需要利用外界条件来促进这一转变,而温度和外载荷又是促进这一转变的主要外界因素。所以,加热处理、施加静载或动载的方法成为调整和消除残余应力的有效手段。  

    通常,加热处理法相比外加载荷法更能比较充分的消除残余应力,同时激光快速成形过程残余应力主要是由于激光快速熔凝所导致的骤冷骤热引起的。因此,采用加热处理法调整和消除残余应力将更为有效。 
  
    常用的加热处理方法是去应力退火,去应力退火消除应力的机理是加热零件到一定温度后长时间保温,然后缓慢冷却至室温,在热作用下引起局部塑性变形或蠕变而使残余应力松弛乃至达到调整与去除的目的,原因是通常随着温度的升高材料的屈服极限会下降,使得残余应力超过屈服极限,引起材料局部塑性变形而消除残余应力。采用去应力退火来消除或调整成形件的残余应力,对不同的材料有不同的处理温度和时间,为了防止退火处理后冷却过程中又产生新的残余应力,应依据相图合理制定热处理工艺,控制冷却速度,一般成形件的截面越大,形状越复杂,材料的导热性越差,则需要保温的时间就应加长,加热和冷却速度应更慢。采用这种加热处理方法消除残余应力,只要退火温度和时间适宜,即工艺选择合适,一般都可以比较充分的消除成形件的残余应力。由于激光快速成形过程中得到的都是超细化的组织,退火处理将使组织发生变化,从而影响材料的性能,因此在退火过程中必须仔细控制退火温度和退火时间,在保证去除应力的同时防止组织过于粗大而严重降低材料性能。

    5结束语

    激光快速成形技术是上世纪90年代发展起来的一种从3D模型概念设计到3D实体柔性制造一体化的高新技术,它以离散/堆积的成形思想为基础,综合利用了激光、计算机、CAD、数控和新材料等学科的高新技术,解决了传统加工方法的许多问题,不同于传统的材料去除法和变形成形法,它以增材积分法直接成形零件,被视为是人类思维在制造领域的一次飞跃。作为新一代先进制造技术,要能够提高制造零件的综合质量,深入研究激光快速成形过程的残余应力问题很有必要,不仅对残余应力大小和分布进行控制具有实际意义,而且对该技术的理论发展和实际应用都具有指导意义。(wenjing)

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号