激光熔化沉积分区扫描成形TC4构件应力变形控制及性能研究

摘要

激光熔化沉积作为一种典型的金属增材制造技术，凭借成形效率高、制件性能优的优势，成为直接成形钛合金的重要手段。然而，受制于过程中强烈的热应力作用，成形所产生的残余应力和基底翘曲变形将严重影响零件的力学性能和尺寸精度。目前，分区扫描作为大型件成形新策略，可在一定程度上改善成形过程热应力作用，但是因相关研究的缺乏以及分区方式的复杂性，其对基底变形、残余应力及成形件性能的作用规律尚不十分明确。在实际工程应用中研究者们无法确定合适的分区方式以减轻成形过程中强烈的热作用，从而无法保证大尺寸零件成功成形。为此，本文针对分区扫描策略展开系统研究，基于应力变形控制提出了分区扫描策略优化方向，并对分区扫描成形件力学性能进行分析。主要研究内容如下： （1）揭示了分区扫描策略对于基底翘曲变形及沉积层残余应力分布的作用规律。变形方面，与连续扫描相比，分区扫描可将成形件基底最大翘曲变形量减小71%，结合温度场仿真模型，论证了翘曲变形程度与成形过程节点温度梯度的一致性；应力方面，分区扫描策略下沉积层表面残余应力呈现周期振荡型分布规律，与连续扫描策略相比最大残余应力值减小50%。 （2）首次研究并分析了分区尺寸及区域跳转顺序对于大尺寸成形件基底变形及残余应力的影响。分区扫描策略下，不同区域跳转顺序对残余应力及变形的影响程度远大于分区尺寸，分区策略优化的关键在于优化区域跳转顺序。 （3）提出了一种由外而内区域跳转顺序，通过减小中心沉积区温度梯度大幅减小成形过程中基底的翘曲变形。与随机区域跳转顺序相比，其将成形件基底最大翘曲变形量减小60%。 （4）提出了一种组合式分区扫描策略，分别采用由外而内区域跳转顺序与随机区域跳转顺序进行前后期成形，以减小和平衡成形件内部残余应力及基底翘曲变形，并成功成形了尺寸为500mm×440mm×120mm的大型TC4钛合金构件。 （5）研究并分析了分区扫描策略对成形TC4构件组织及性能的影响。与连续扫描策略相比，分区扫描可细化析出的片状α晶粒，并抑制β晶粒的粗大生长，成形件致密度达到了98.92%，但区域交接面容易形成集中的未熔合缺陷，晶粒细化使得成形件抗拉强度有所提升，但孔洞的存在增加了裂纹源，在一定程度上削弱了塑性，成形件综合力学性能超过锻件标准，证明分区扫描是一种可靠的工艺方法。

目录

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摘 要

ABSTRACT

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1激光熔化沉积技术

1.1.1激光熔化沉积技术原理

1.1.2激光熔化沉积技术的特点

1.1.3钛合金激光熔化沉积技术发展及应用

1.2激光熔化沉积技术目前面临的问题

1.2.1热应力控制问题

1.2.2成形件内部质量控制问题

1.3激光熔化沉积技术研究现状

1.3.1残余应力及变形问题研究现状

1.3.2钛合金成形件力学性能研究现状

1.3.3扫描策略优化研究现状

1.4本课题研究意义及主要研究内容

1.4.1课题的研究意义

1.4.2课题主要研究内容与方案

实验系统及TC4成形基础工艺优化

2.1激光熔化沉积加工系统

2.1.1激光发生及传输模块

2.1.2粉末输送模块

2.1.3冷却水循环模块

2.1.4控制及运动执行模块

2.2主要检测设备

2.2.1面结构光三维测量设备

2.2.2 X射线残余应力检测设备

2.2.3金相观测设备

2.3激光熔化沉积成形TC4钛合金基础工艺研究

2.3.1 TC4粉末材料选择

2.3.2工艺参数对沉积层几何形状影响规律

2.3.3最优工艺参数匹配

2.4本章小结

热行为机理及分区扫描调控温度场作用

3.1成形过程热行为机理

3.1.1热应力产生机理

3.1.2翘曲变形机理

3.1.3残余应力的演变

3.2激光熔化沉积温度场有限元模型

3.2.1热源模型

3.2.2传热模型

3.2.3边界条件

3.2.4单元生死

3.2.5材料热物性参数

3.2.6模型建立

3.3分区扫描策略调控温度场仿真结果

3.3.1连续及分区扫描策略指定

3.3.2分区扫描对温度分布的影响

3.3.3分区扫描对节点热历史的影响

3.3.4分区扫描对节点温度梯度的影响

3.4本章小结

分区扫描策略优化及其对变形与残余应力的影响

4.1分区与连续扫描下应力及变形对比

4.1.1不同扫描策略对基底翘曲变形的影响

4.1.2不同扫描策略对残余应力分布的影响

4.2分区策略优化

4.2.1由外而内区域跳转顺序的定义

4.2.2不同分区扫描方式对基底变形的影响

4.2.3不同分区扫描方式对残余应力分布的影响

4.3组合式分区扫描策略成形大型钛合金件

4.4 本章小结

分区扫描成形TC4构件组织及性能研究

5.1结构件成形过程及结果

5.2分区扫描策略对成形件宏微观形貌的影响

5.2.1主要相及微观组织状态

5.2.2致密度与微观缺陷

5.3分区扫描策略对成形件性能的影响

5.3.1拉伸性能

5.3.2拉伸断口分析

5.4本章小结

总结与展望

6.1本文完成的主要工作

6.2本文的创新性

6.3后续研究工作展望