GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟

为解决GH4169合金激光增材制造过程中变形甚至开裂的问题,采用直接耦合热弹塑性有限元方法对GH4169合金单道多层墙体激光增材制造过程温度和应力演变进行仿真分析。计算表明,激光增材过程沉积试件经过快速加热和凝固冷却过程,温度变化速率超过1×10^(5)℃/s。热循环温度峰值超过2500℃,最高达2876℃。激光沉积扫描过的区域因冷却收缩受到约束产生较高的应力。后道沉积时激光扫描到的区域温度再次升高,先会释放前道沉积形成的应力,随着温度降低会造成更大的应力。热源加载结束的一瞬间沉积层与基板连接的部分温度存在反常增加的现象。沉积层残余应力以拉应力为主,高达875 MPa,沿沉积方向的应力分量最大。基板在与沉积层结合部位附近残余应力达到800 MPa左右,与其相对应的远处分布有残余压应力。     

同轴送粉激光增材中扫描速度和基板预热对残余应力的影响

基于顺序热力耦合方法，以铸态K4169合金为基板，进行高温合金GH4169的单道单层激光增材制造的数值仿真，深入分析了激光扫描速度和基板预热对残余应力的影响。结果表明，降低扫描速度可明显降低沉积层与基板结合处在降温过程中的横向平均温度梯度，而对纵向平均温度梯度几乎没有影响，因此可得降低扫描速度对横向残余应力有比较明显的影响，但对纵向残余应力影响很小。提高基板预热温度可明显降低沉积层与基板结合处在降温过程中的横向和纵向平均温度梯度。考虑到工艺参数的改变本质上是通过温度场变化对残余应力产生影响，构建了峰值温度、平均温度梯度与横、纵向残余应力之间的函数关系。分析显示，横向残余应力对峰值温度的影响更为敏感，而纵向残余应力对平均温度梯度的影响更为敏感。     

圆环构件增材制造残余应力模拟及尺寸效应分析

采用顺序热力耦合有限元模型对圆环构件激光沉积增材制造过程残余应力和残余变形进行数值模拟。在对直板激光沉积增材制造残余应力验证的基础上,对不同激光移动速度、不同尺寸环状构件激光沉积增材制造过程残余应力变化进行了系统的讨论研究。模拟结果表明,激光沉积增材制造后,环形构件残余变形以增材层径向向内弯曲和基板竖向向下弯曲为主;增材层残余应力依然以环向和竖向残余应力为主,最大拉伸残余应力接近材料屈服点。激光移动速度的减小将极大的影响增材层残余应力的分布,提高中间增材层内、外侧环向残余应力,并使得增材层径向向内弯曲量减小。在相同工艺下对不同尺寸环状构件进行激光沉积增材制造,环状构件截面内环向和纵向拉伸残余应力区域均将随构件尺寸的增大而增大,这与构件在经历多次热循环过程中的冷却速度有关。制造过程中可采取提高环境温度、降低冷却速率等方式降低大尺寸构件截面内拉伸残余应力,以提高激光沉积增材制造构件后期服役性能及安全性。     

激光冲击处理对GH4169合金应力回火稳定性的影响

利用激光冲击波对GH4169合金表面进行了强化处理,通过扫描电镜观察了激光冲击处理后其表面形貌的变化,用X射线应力仪测定了激光冲击处理后GH4169合金600℃和800℃回火处理后残余应力分布规律,并分析了残余应力产生机理.结果表明,激光冲击处理后GH4169合金残余压应力为-400 MPa以上;在800℃回火处理使残余应力值下降20%,600℃回火处理对其残余应力没有影响,回火稳定性较好.     

冷却方式对GH4169合金显微组织和残余应力影响规律研究

通过多组不同冷却方式的冷却试验,得出冷却方式对固溶态GH4169合金组织与残余应力的影响规律,并与固溶、固溶+时效后的残余应力进行对比。结果表明:随着加热温度的升高,晶粒尺寸增大,δ相含量减少;冷却方式对GH4169合金的晶粒尺寸影响较小;随冷速增加,δ相含量降低。随冷却速率的增大和初始温度的降低,残余应力增大。时效处理可有效降低GH4169合金的残余应力水平。     

预热下激光沉积修复GH4169合金表面损伤的残余应力和拉伸性能

结合GH4169高温合金表面损伤的修复需求,研究基体预热对不同基体厚度的激光沉积修复GH4169高温合金试样残余应力、显微组织、拉伸性能的影响规律。结果表明:与未预热修复试样相比,基体预热300℃的GH4169合金激光沉积修复试样的残余应力σx、σy均明显降低,修复区枝晶间析出的Laves相变得粗壮并呈现颗粒状的碎化趋势,抗拉强度略微降低,但断后伸长率提高60%以上,达到锻件标准。基体厚度越大,修复体厚度越小,修复试样的残余应力减小,枝晶间析出的Laves相减少,抗拉强度与断后伸长率均略有增加。     

Ti-6Al-4V电弧熔丝增材轧制复合制造的有限元模拟

增材制造过程中由于在凝固及随后的冷却阶段易产生残余应力,从而影响部件的成形和使用。在增材过程中引入轧制工序,可望降低宏观残余应力,从而降低部件的变形。本文通过建立Ti-6Al-4V钛合金电弧熔丝增材与层间轧制复合成形过程的有限元模型,研究圆柱形轧辊条件下不同压下量对部件温度、应力、应变及残余应力分布的影响规律。结果表明,层间轧制可显著降低沉积层金属中的残余宏观应力;同时降低对基板的整体应力。采用圆柱形轧辊并增加压下量可显著降低宏观残余应力,还可以通过塑性变形改变材料的微观组织,提高材料性能,为复合增材工艺的优化指明了方向。     

Ti-6Al-4V电弧熔丝增材辊轧复合制造的有限元模拟

增材制造过程中在凝固、冷却阶段因骤热骤冷而易于产生较大的残余应力,进而影响部件的成形和使用。在增材过程中引入辊轧工序,可望改变局部应力状态并降低宏观残余应力,进而改善部件宏观变形和微观组织形态。通过建立Ti-6Al-4V钛合金电弧熔丝增材与层间辊轧复合成形过程的有限元模型,研究在圆柱形轧辊条件下,不同压下量对部件温度、应力、应变及残余应力分布的影响规律。结果表明,层间辊轧可显著降低沉积层金属中的残余应力;同时降低对基板的整体应力。采用圆柱形轧辊并增加压下量可显著降低残余应力,为复合增材工艺的优化指明了方向。     

成形气氛对大气环境下激光修复GH4169组织与性能的影响

激光制造高性能GH4169镍基合金通常在密闭环境下进行,导致部件加工尺寸受限和成本增加。为了拓宽激光增材制造和再制造GH4169合金的应用,本文尝试在大气环境不同气氛（Ar、N2）下进行激光修复实验。结果表明,在大气环境Ar气氛下,修复层主要由γ相和长链状Laves相组成,呈典型的柱状晶组织,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为874 MPa、621 MPa和23.1 %。在大气环境N2气氛下,由于其热导率更高,熔池冷却速率更快,修复层主要由γ相、尺寸与体积分数更小的颗粒状Laves相以及（Ti,Nb）N颗粒相组成,呈细化的枝晶组织,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为935 MPa、649 MPa和24.9 %。由于细晶强化和第二相析出强化的共同作用,在大气环境N2气氛下可成功实现对GH4169合金低成本、高效率的激光修复。     

基于二维面探的高温合金GH4169残余应力分析

目的 通过二维面探X射线衍射法测试高温合金GH4169的残余应力.方法 由于GH4169是Ni基高温合金,Ni合金在Cr靶下有较强衍射峰,因此采用Cr靶来测试GH4169合金的残余应力.二维面探仪有500个探测头,均匀分布在一个面上,根据每一个探测器测得的衍射角变化,就能得到500个方向上的应变值,再根据应力与应变之间的关系,就可以计算出材料的残余应力.结果 GH4169合金的德拜环只有一个衍射峰,而且衍射峰的强度随着角度α的变化而变化.这说明该材料的应力取向不均匀,存在较为明显的织构.该材料表面主应力方向上的残余应力测试值为-968 MPa,误差为62 MPa;切向上的残余应力测试值为24 MPa,误差为43 MPa.由于测试的GH4169合金是经过喷丸处理的,主应力方向上受残余压应力,而其测试结果 确为负值,说明此次测试结果 可信.结论 通过二维面探X射线衍射方法 测试材料残余应力从原理和实际操作上都是可行的,并成功测试出GH4169合金的残余应力.经喷丸处理后的GH4169材料受残余压应力的作用,且应力分布不均匀,存在较为明显的织构.     

温度辅助激光冲击强化对GH4169合金力学性能的影响

利用波长为1064 nm、脉宽为14 ns、单脉冲能量为5 J的Nd:YAG纳秒脉冲激光器对GH4169合金试件进行了常温激光冲击强化处理和温度辅助激光冲击强化处理;采用X射线衍射仪和HV-1000显微硬度计测量了强化处理前后试件的表面残余应力与表面显微硬度。实验结果表明:经激光冲击强化与温度辅助激光冲击强化处理后,试件表面引入了一定数值的残余压应力,同时表面显微硬度得到提高;但在残余压应力和显微硬度数值方面,经温度辅助激光冲击强化处理的试件均比常温激光冲击强化处理的试件要大,且随着辅助温度的增加,试件的表面残余压应力和表面显微硬度值均呈增加趋势。因此,在一定的温度范围内,采取温度辅助激光冲击强化的方式对GH4169合金进行处理,可以获得比常温激光冲击强化处理更好的强化效果,同时适当提高强化温度,在一定程度上可以进一步提高GH4169合金的强化效果。     

电弧增材与激光增材复合制造GH4099的显微组织与力学性能研究

结合电弧增材制造沉积率高、成本低和激光增材构件质量高的优势,提出了电弧增材与激光增材复合的制造技术,用于高效、高质量GH4099材料零件制造。通过在电弧增材基板上进行激光直接沉积实验,对比了两种增材制造工艺所得涂层的显微组织和力学性能;探究了两种增材构件界面处的显微组织与力学性能。结果表明:电弧增材与激光增材的显微组织均沿沉积方向外延生长,且激光增材GH4099的显微组织要细于电弧增材的。在两种增材构件的交界处,当激光增材沉积方向与电弧增材沉积方向平行时,整体构件显微组织具有同一生长方向;并得到相比于垂直于电弧增材沉积方向时更高的力学性能。     

同轴送粉激光增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金应力场数值模拟

采用Ansys软件建立了同轴送粉激光增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的有限元模型，对该模型进行了试验验证，模拟分析了不同激光功率和扫描速度单层单道成形过程中的温度场和应力场。结果表明，模拟得到的应力与试验结果误差约为5.2%,验证了模型的准确性。激光成形过程中，激光作用产生“端部效应”,熔池前端的温度梯度大，后端的温度梯度小。随着激光功率的增加和扫描速度减小，熔池温度增加，激光功率的影响更加显著。随着激光功率与扫描速度的增加，沉积层的三向应力也随之增大，最大Von mises等效应力与垂直于扫描方向的应力σ_y呈“W”形分布，沿扫描方向的应力σ_x先增大后减小，且σ_x>σ_y。当沉积层冷却至室温时，其表面残余应力主要为拉应力，且沉积层中部位置的残余应力高于边缘位置的残余应力。     

激光修复GH4169高温合金界面附近的显微组织、弹性模量和残余应力分布

直接能量沉积(Direct Energy Deposition,DED)作为一种新兴的增材制造技术,在航空发动机涡轮叶片等高价值零部件的修复或再制造方面表现出巨大的潜力。通过直接激光沉积(Direct Laser Deposition,DLD)这种特定形式的DED,可以将G H 4169高温合金粉末熔覆在GH4169基体上,以模拟航空航天部件的修复。综合研究了不同DLD工艺参数下界面附近的微观组织、力学性能及其分布特征。结合电子背散射衍射(EBSD)、数据拼接技术和第一性原理,确定了各相的晶粒取向和弹性刚度矩阵,在此基础上分析了相对较大且复杂区域的弹性模量和残余应力分布。     

激光熔化沉积修复GH4169合金的组织与拉伸性能

通过激光熔化同步输送的GH4169合金粉末,在锻态GH4169合金基板上沉积出薄壁试样,分析了GH4169合金的微观组织、相组成,测试了拉伸性能。结果表明,所制备试样的沉积层和界面组织致密、无缺陷;激光沉积态组织为沿沉积高度方向生长的柱状枝晶组织,沉积态组织经过直接时效(DA)或固溶+时效(STA)处理后,枝晶间Laves相含量基本没有变化,经过均匀化+固溶+时效(HSTA)处理后,组织向等轴晶转变,Laves相含量减少;试样经过STA处理后,抗拉强度最高,达到锻态的84.5%,断后伸长率为锻态的96.7%,原始沉积态试样断后伸长率最高,高于锻态101.7%。     

GH4169 高温合金激光冲击强化层微观结构和微动疲劳行为研究

目的 提高GH4169镍基高温合金的微动疲劳寿命。方法 利用激光冲击强化（LSP）技术对GH4169高温合金榫试样进行表面强化处理并研究其微动疲劳性能。借助激光共聚焦显微镜（LCSM）、X射线衍射仪（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）、显微硬度计、X射线应力分析仪、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及高频疲劳试验机,对激光冲击强化前后的GH4169高温合金的微观组织、硬度、残余应力、微动疲劳寿命、断口形貌和裂纹扩展情况进行分析。结果 激光冲击强化后表面硬度提高了17.3%,硬化层深度约为0.63 mm,表面残余压应力为331.5 MPa。经激光冲击强化后变形层中晶粒未发生明显细化,表明激光诱导冲击波主要引起GH4169高温合金中位错的形成而不是位错的运动。在20 kN峰值载荷下,尽管强化后的断裂机制没有发生明显的变化,但是强化后榫试样的微动疲劳寿命比未处理的试样提高了827%,裂纹从多疲劳源转变为单疲劳源,裂纹萌生位置从表面转移到距表面234 μm的次表面,激光冲击强化显著提升了GH4169的萌生抗力和扩展速率,扩展区域的疲劳条带间距从未处理的0.50 μm增加到了强化后的1.01 μm,这可能与残余应力的突变与松弛有关。结论 在激光冲击强化后获得硬化层和残余应力场共同影响下,GH4169高温合金榫试样的微动疲劳寿命得到了显著提升。     

激光增材制造Nb合金化GH4169合金组织分析

采用球磨合金化的方式,在常规GH4169合金粉末中添加Nb元素,利用激光增材制造技术成形了具有不同Nb含量的GH4169试样,研究了Nb含量对激光增材制造GH4169合金组织的影响。结果表明：激光增材制造Nb合金化GH4169合金显微晶粒结构仍为粗大柱状晶组织;随着Nb含量的增加,合金粉末在熔池中合金化反应放热量增多,使得柱状晶的生长方向由偏离激光束中心向外生长逐渐变化为朝向激光束中心向内生长。由于熔池中溶质浓度和粉末熔化放热量的增加,使得枝晶间γ+Laves共晶组织的数量增多,逐渐形成连续网状的共晶组织;DSC分析结果发现,随着Nb元素添加量的增加,共晶Laves相的初熔点升高,枝晶干γ相的熔点略有降低。另外,合金化改变了初生γ相的成分,枝晶干Nb元素含量最高浓度达到7.5wt.%,合金固溶强化作用得到加强。     

700～800℃温度下GH4169合金的组织演化和力学性能研究

研究了GH4169合金室温、700～800℃高温范围内的组织演化、瞬时拉伸及持久性能.实验结果发现,GH4169合金的瞬时拉伸强度随温度提高而降低,塑性在750℃下出现极小值,超过750℃后,又随温度的提高而大幅度提高;合金在750℃温度/295MPa应力下的持久时间高达406h 55min,这是由于在此温度下,基体中析出了点状和棒状魏氏体,延长空洞萌生时间所致.     

激光增材制造高Nb含量GH4169合金微观偏析行为研究

目的减轻不同热处理状态下激光增材制造高Nb含量GH4169合金组织中的微观偏析。方法采用激光增材制造方法对球磨Nb合金化后的合金粉末进行快速成形,获得具有较高Nb含量的GH4169合金试样。通过光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱分析、维氏硬度测试方法,对沉积态、固溶态和直接时效态试样进行分析,研究因合金中Nb含量变化引起的微观偏析对沉积态和热处理态合金的枝晶组织和显微硬度的影响。结果随着Nb含量的增加,一方面,由于枝晶间的Nb含量增加,枝晶间(γ+Laves)共晶数量增加,且共晶组织形貌更为连续;沉积态试样的显微硬度由228.4HV增大至534.1HV。另一方面,枝晶干Nb元素含量增加,枝晶干与枝晶间Nb元素含量的差异缩小,Nb元素的偏析比由8.59减小至4.13。后续固溶处理后,枝晶结构逐渐消失,枝晶间Laves相的数量随之减少,枝晶干与枝晶间的微观偏析减轻;固溶态试样硬度值随之减小,减小趋势随固溶温度的升高而逐渐平缓。随着Nb含量的增加,直接时效处理后,各试样显微硬度值在微观区域内的均匀性提高,枝晶干与枝晶间强化相的析出差异减小。结论合适的热处理制度既可以实现合金元素的均匀化,还能减小枝晶干与枝晶间强化相的析出差异,减轻激光增材制造高Nb含量GH4169合金组织中的微观偏析。     

SLM成形AlSi10Mg合金残余应力数值模拟及组织性能分析

通过有限元模拟与试验测试,研究了打印参数对选区激光熔化(SLM)工艺成形AlSi10Mg合金残余应力的影响。结果表明,打印过程存在3个峰值温度;随着基板温度、激光功率、扫描速度和扫描间距的增加,成形件残余应力先减小后增大。当激光功率为450 W、扫描速度为1 100mm/s、扫描间距为70μm、基板温度为200℃时,打印件具有最小的残余应力,成形件抗拉强度为480MPa、屈服强度为310MPa、伸长率为6%。成形件组织中存在粗晶区、细晶区和热影响区3种区域,Si相呈网状结构分布。