基于选区激光熔化技术的金属材料拉伸性能评价方法

摘要

本发明公开了一种基于选区激光熔化技术的金属材料拉伸性能评价方法，包括如下步骤：将待评价的材料粉末铺于基板上，利用选区激光熔化设备进行多个拉伸试样的增材制造成型；从基板上随机截取至少一个拉伸试样，计算拉伸试样的名义横截面面积；将基板和剩余的拉伸试样置于力学性能试验机上进行拉伸试验，记录每一个拉伸试样的拉力－位移曲线；以及将所记录的每一个拉伸试样的拉力‑位移曲线进行数据处理与分析，以获得该工艺条件下所对应的待评价材料力学性能的最大值、最小值以及分布规律。本发明的评价方法不仅大幅度降低了原材料粉末的成本，而且可明显缩短了试验的周期，特别适用于产品设计阶段的初期选材和增材制造的工艺评价。

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种基于选区激光熔化技术的金属材料拉伸性能评价方法。

背景技术

增材制造是近三十年发展起来的一种革命性的方法，包括选区激光熔化技术、电子束熔融技术等。它不仅是一种构件成型方法也可以作为一种材料的制备方法。与传统的制造方法相比，增材制造过程中材料的加热和冷却速度较快，所得到材料的微观组织比较细致均匀。

目前，评价增材制造材料拉伸性能的方法还是利用增材制造设备打印传统形式的拉伸试样，并将拉伸试样从基板上切割下来，进行拉伸试验。这一过程需要较长的时间、较多的原料，而且在一个基板上打印试样的数量有限，无法提供足够的拉伸试验样本数量，不能全面掌握所用的工艺参数制备材料的拉伸性能，所得到的拉伸性能具有一定的偶然性。如果要扩大拉伸试验的样本数量就需要更长的周期，更多的粉末，增加了时间和成本。因此如何协调试验周期和成本与样本数量之间的矛盾是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对前述增材制造材料的拉伸性能试验周期和成本与试验样本数之间的矛盾，本发明提出了一种基于选区激光熔化技术的金属材料拉伸性能评价方法，其通过以下技术方案实现的，具体包括以下步骤：

将待评价的材料粉末铺于基板上，利用选区激光熔化设备进行多个拉伸试样的增材制造成型；从所述基板上随机截取至少一个所述拉伸试样，计算所述拉伸试样的名义横截面面积；将所述基板和剩余的所述拉伸试样装置于力学性能试验机上进行拉伸试验，记录每一个所述拉伸试样的拉力－位移曲线；将所记录的每一个所述拉伸试样的拉力-位移曲线进行数据处理与分析，以获得该工艺条件下所对应的待评价材料力学性能的最大值、最小值以及分布规律。

进一步地，所述待评价的材料粉末在热源的作用下由点到线到面逐点熔化逐层累加，所述拉伸试样的标距部分为圆柱体，且每一层的扫描路径为其圆形横截面轮廓内唯一的三角形。标距部分的长度为选区激光熔化成型过程中铺粉层厚度的整数倍。

进一步地，所述计算拉伸试样的名义横截面面积包括如下步骤：对所截取的至少一个拉伸试样进行镶嵌、研磨、抛光、腐蚀后，利用金相显微镜对拉伸试样进行拍照测量，再计算拉伸试样的名义横截面面积。

可选地，所截取的拉伸试样为一个，所述拉伸试样的横截面面积即为名义横截面面积。所截取的拉伸试样数量多于一个，则所截取的所有拉伸试样的横截面面积的均值为名义横截面面积。

进一步地，所述基板和剩余的拉伸试样置于力学性能试验机时，所述基板被夹具固定，通过移动载物台，依次完成所述基板上每一个所述拉伸试样的拉伸试验。

优选地，所述剩余的拉伸试样至少为30个，以用于拉伸试验。

本发明中的基于选区激光熔化技术金属增材制造拉伸性能评价方法，通过将待评价的材料粉末通过选区激光熔化技术直接成型在一块金属基板上，再将所得到的多个增材制造拉伸试样置于力学性能试验机上进行拉伸性能测试。与传统的力学性能测试方法相比，该方法操作简单，使用方便，不仅大幅度降低了原材料粉末的成本，而且可明显缩短了试验周期，为评价某一工艺下材料的拉伸性能提供更多的试验样本和试验数据，可更充分掌握工艺的可重复性和离散性，特别适用于产品设计阶段的初期选材和增材制造的工艺评价。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于选区激光熔化技术的金属材料拉伸性能评价方法的流程框图；

图2为拉伸试样的标距部分的激光扫描路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述，应当理解，此处所描述的内容仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为根据本发明实施例的基于选区激光熔化技术的金属材料拉伸性能评价方法的流程框图。如图1所示，基于选区激光熔化技术的金属材料拉伸性能评价方法100包括以下步骤：

步骤S1，将待评价的材料粉末铺于基板上，利用选区激光熔化设备进行多个拉伸试样的增材制造成型。

首先，利用CAD软件对拉伸试样的几何特征和试样数量进行建模，将模型存为STL文件，利用切片软件对该STL文件进行切片，设置工艺参数，再将设置好的文件传输给选区激光熔化设备进行增材制造。

增材制造过程中，待评价的材料粉末在热源的作用下由点到线到面逐点熔化逐层累加，拉伸试样的标距部分为圆柱体，每一层有3个激光扫描位置1，激光扫描路径2为标距部分的圆形横截面轮廓3内唯一的三角形，如图2所示。标距部分长度为选区激光熔化成型过程中铺粉层厚的整数倍。利用相同的工艺参数打印多个拉伸试样。拉伸试样打印成型完毕后，将基板连同拉伸试样一并从选区激光熔化设备中取出。

步骤S2，从所述基板上随机截取至少一个拉伸试样，计算拉伸试样的名义横截面面积。

计算拉伸试样的名义横截面面积包括如下步骤：对所截取的至少一个拉伸试样进行镶嵌、研磨、抛光、腐蚀后，利用金相显微镜对拉伸试样进行拍照测量，再计算拉伸试样的名义横截面面积。

可选地，如果所截取的拉伸试样为一个，则该拉伸试样的横截面面积即为名义横截面面积。如果所截取的拉伸试样数量多于一个，则将所截取的所有拉伸试样的横截面面积的均值作为名义横截面面积。

步骤S3，将所述基板和剩余的拉伸试样置于力学性能试验机上进行拉伸试验，记录每一个拉伸试样的拉力－位移曲线。

其中，剩余的拉伸试样至少为30个用于拉伸试验，以便于更充分掌握工艺的可重复性和离散性。基板和剩余的拉伸试样一同置于力学性能试验机时，基板被夹具固定，不发生竖直方向和水平方向的移动，拉伸试样的另一端被拉伸试验模块的夹持机构夹持，设置拉伸速度等参数后启动试验机，拉伸试样被夹头施加拉力，直至试样断裂。完成一个拉伸试样的拉伸试验后，通过移动载物台，将另一个拉伸试样移至拉伸试验模块的正下方，对中、夹持、施加拉力、拉断试样，力学性能试验机实时记录每一个拉伸样件拉伸过程中拉力与位移的变化，并形成拉力-位移曲线。完成一个拉伸试样的拉伸试验后，重复该动作，进行下一个拉伸试样的拉伸试验，直至完成基板上的所有拉伸试样的拉伸试验。

步骤S4，将所记录的每一个拉伸试样的拉力-位移曲线进行数据处理与分析，以获得该工艺条件下所对应的待评价材料力学性能的最大值、最小值以及分布规律。

具体来说，根据每一个拉伸试样的拉力－位移曲线、拉伸试样的名义横截面面积、拉伸试样的长度可以将该拉力-位移曲线转化为应力-应变曲线，并得到每一个拉伸试样的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率等力学性能参数。根据多个拉伸试样的力学性能参数进行综合分析，从而获得该工艺条件下所对应的待评价材料力学性能的最大值、最小值以及分布规律。

本发明实施例中的基于选区激光熔化技术的金属材料拉伸性能评价方法100解决了试验周期和成本与试验样本数量之间的矛盾，为评价某一工艺下材料的拉伸性能提供更多的试验样本和试验数据，可更充分掌握工艺的可重复性和离散性，特别适用于产品设计阶段的初期选材和增材制造的工艺评价。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。