金属激光增材制造新突破 | 监测与控制应力演变

       激光辅助金属增材制造以激光为热源，熔化基材，将金属粉末同轴输送到熔池中，沉积在基材上，形成用户所需的各种形状。这种方法在工程部件和艺术品的修复、包覆和制造方面具有广泛的应用。然而，由于激光增材制造工艺复杂的热过程，会出现不均匀的热收缩和膨胀，从而在固化材料内部产生大量的残余应力。这些应力可能超过材料的强度，并可能导致变形和开裂。应力导致的缺陷往往缓慢而逐渐发生，没有明显的症状，可能在最小的外部刺激下爆发。因此，在增材制造过程中控制应力至关重要。

       由于高温，在基于激光的增材制造工艺过程中会产生等离子体和火花。因此，在制造过程中很难定位传统设备来测量应力。目前，最常用的方法是数值模拟和事后应力检查。数值模拟通过2D到3D模型从纯温度计算开始。另一种测量残余应力的方法是在制造后进行事后分析（X射线或中子衍射），并用激光参数进行分析。虽然数值预测和实验后测量可以帮助我们更好地了解直接金属沉积（DMD）过程，但当缺陷导致失败时，它们很难挽救产品。此外，将X射线或中子衍射设备集成到直接金属沉积系统中的空间有限，并且基于传统方法进行在线模拟的时间不足。

       在东南大学机械工程学院与密西根大学工程学院机械工程系等研究人员合作的最新研究中，研究人员开发了一种新方法来监测直接金属沉积过程中的应力演变。该方法基于计算机视觉和有限元分析，可以快速预测激光沉积过程中产生的应力。相关研究以“Online Stress Measurement During Laser-aided Metallic Additive Manufacturing”为题发表在《Scientific Reports》期刊上。

       研究方法

       研究人员采用的方法称为位移法。如图1所示，状态A代表最终凝固的材料，它包含要确定的残余应力的状态。B是刚形成时熔池的形状，此时物料呈液态；尽管其中包含某些力和应力，但与固态相比，这些特性可以忽略不计。可以假设，在这种状态下，应力还没有形成，可以把这种状态作为无应力状态。在实际制造过程中，由于熔池的冷却，状态B的形状正在收缩到状态A。这个过程可以通过强制状态B的表面拟合状态A来模拟。这个过程产生的应力保存在状态C中。

        图1. 实时应力测量示意图。(a)位移法原理，(b)实时测量系统，(c)基于熔池形状的沉积层模型，(d)基底模型

        根据假设，应力发展可以通过熔池表面和凝固材料之间的差异来计算。为了获得这些数据，使用计算机视觉来帮助进行测量。在线测量布局如图1b所示。熔池高度由垂直于制造激光器设置的相机记录。为了可视化被明亮的等离子体焰流笼罩的熔池，在相机镜头前安装了一个532nm滤光片和一个中性密度滤光片(ND)。采用532nm激光(8W)照亮熔池区域。

        在线压力测量基于以下步骤：

        1. 使用相机1和相机2记录熔池和沉积层的高度，并将信息发送到计算机以处理数据。

        2. 构建熔池和沉积层的横截面。假设沉积层的横截面为半圆形，并根据熔池和沉积层的高度构建截面。

        3. 对熔池截面和沉积层进行网格划分，建立熔池有限元模型。根据熔池的形状构建基板单元和节点。

        4. 计算熔池和凝固层之间的表面位移。在曲面节点上添加位移。

        5. 添加一个新的熔池并重复步骤1-4。每一步之后，保存上一步的结果，代入上一步的结果，在材料新沉积的部分加上位移。继续计算直到过程结束。

        结果与讨论

        研究所用粉末为1236 F/FE-271（美国普莱克斯），成分接近AISI316L不锈钢。热性能在图2中给出。保护气体是氮气，流速为20CFH。为了使测量更容易，使用0.5英寸/秒的低扫描速度和1500 W激光来创建相对较大的沉积层。样品如图3a所示。对于相机校准，采用12个不同的相机位置来估计外部参数。图3b显示了相机校准的重投影误差。误差在不同条件下有所不同，但在一个相对较小的范围内。平均误差为0.981±0.112像素或0.018±0.002 mm。通过XRD方法（Proto LXRD残余应力测量仪，Proto Canada）测量样品的最终残余应力。实验中使用了Cr靶材。

       图2. AISI 316不锈钢的温度相关 (a) 热物理性能和 (b) 热机械性能

       如图3c-e所示，熔池高度测量基于以下步骤：首先将图像转换为灰度，然后使用Prewitt边缘检测方法来区分边缘。由于制造激光的位置和激光半径已知，因此关注区域被限制在激光照射的区域。一旦识别出熔池，测量选定区域中最高的10个像素，并将它们的平均高度作为熔池的高度。

       对于线激光，图3f是线激光照射在沉积层上的相机图像。沉积层轮廓的真实位置位于线激光的中心，即沿每列图像像素的垂直方向上的中点。测量的边缘如图3g所示。

       图3. 熔池图像，（a）沉积样品，（b）像素平均误差，（c）原始图像，（d）边缘检测，（e）应用阈值。

      用热有限元方法模拟温度场（a）温度分布，（b）a点温度的时间历程，（c）z方向应力分布，（d）沿样品顶面的残余应力。

来源：AM-union 增材制造硕博联盟