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复合增材制造和激光喷丸的工艺，SLM增材制造中控制剩余应力的利器

宣布时间：2020.08.20    点击数： 75153

        来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究职员提出了一种复合增材制造（Selective Laser Melting (SLM)）和激光喷丸的工艺，即，3D LSP,在SLM的历程中举行LSP。并同古板的SP、ＬＳＰ沉积态的应力举行了较量研究。3D LSP会导致深且高的CRS，从而显著的提高了疲劳抗力。

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图１　论文的Graphical abstract

       增材制造手艺近年来从研究到商业化的转变很是迅速，这是由于该手艺具有古板要领无法制备或者很难制备的优势。外场服役部件在服役历程中需要经受恒久的疲劳载荷。这就需要首先延伸部件的疲劳寿命并提高AM制品的疲劳抗力。众所周知，喷丸是可以改善外貌的显微组织并提高疲劳抗力的。这里为各人展示了复合增材制造和3D激光喷丸（3D Laser Shock Peening (3D LSP)）的加工工艺。在SLM增材制造的沉积态（ as – built (AB) ）时，其亚外貌保存的众所周知的抗拉剩余应力（ tensile residual stresses (TRS)），对部件的疲劳应力具有十分倒运的效果。激光喷丸（LSP）是一种相对较量腾贵的后处置惩罚手艺，各人知道，可以在部件的亚外貌爆发爆发较深的压应力（ CRS）。并且该手艺通常应用于对疲劳抗力要求很是高的场合，如航空航天和核电的场合。此处提出的新颖的3D LSP工艺具有充分验展和使用部件制造的重复的间隙的优点，如SLM制造的层层之间的循环。这一步伐在部件的亚外貌制备出高且深的压应力（ CRS），从而显著的提高疲劳抗力。在本文中，研究者以316L为研究工具举行了3D LSP加工，将部件往返的在SLM和LSP工位上举行切换。效果，在所有的参数研究规模内，可以视察到很是显着且显著的CRS。同SLM的沉积态相比或者同接纳与古板的喷丸相比，效果很是显着。

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图２ 激光喷丸爆发塑性压应力且爆发一个横向压应力场的历程

       只管SLM手艺打印的产品的机械性能很是靠近于古板手艺加工的产品，但SLM手艺在应用的时间依然保存一定的局限性。其中一个问题就是一直积累的抗拉应力的剩余应力（tensile residual stresses，ＴＲＳ），如下图所示。在SLM的历程中，顶部的熔化层最后会冷却掉，且冷却的水平受究竟部凝固质料的一连性的限制。这样一层层的累积下来，就会在制品中形成较大的TRS，其效果就是要么降低了其疲劳抗力或造成最终制品的变形。应力高到一定水平的时间会导致加工失效（如爆发裂纹）。

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图３ SLM制造历程中爆发剩余应力的示意图，显示了喷丸、激光喷丸和3D LSP的历程

图解：喷丸Shot Peening (SP), 激光喷丸Laser Shock Peening (LSP)、复合3D打印与激光喷丸的手艺 3D LSP。

        现在已经有差别的手段来控制和镌汰剩余应力。如原位加热（例如将基材举行预热或者激光重熔）就是一种较量常见的手艺手段。自顺应性扫描战略也证实是一种较量有用的显著影响剩余应力的解决步伐。作为一种后处置惩罚历程，退火时普遍应用并证实可以显著的降低至少７０％的剩余应力。只管以上提到的手艺对改善最终的剩余应力是较量有用的。但以上手艺还不可完全消除TRS，并且还保存不可引入剩余压应力（ Compressive Residual Stresses (CRS)）而提高疲劳抗力的误差。并且，在后处置惩罚历程中还保存不要可阻止的带来失效的问题，这就意味着接纳原位加热和优化扫描战略的步伐并不是一种简朴有用的步伐，并不可完全适用于LＳＭ。

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在AB、LSP处置惩罚的条件下获得的剩余应力曲线漫衍

        激光喷丸（Laser Shock Peening (LSP)）是一种在外貌爆发高应变速率（(~ 10exp（6） s− 1)）的处置惩罚步伐，其原理同喷丸（Shot Peening (SP)）和超声喷丸（Ultrasonic Shot Peening (USP)）相似，经常用来在质料的近外貌爆发一层压应力的剩余应力。LSP在提高峻大都金属质料的疲劳抗力这一方面较量为人所熟知。同时还具有提高应力侵蚀裂纹、磨蚀疲劳的能力。引入的压应力的剩余应力的深度可以抵达1mm（详细取决于被处置惩罚的质料）。抵消近外貌区域包括部分或险些所有是抗拉的剩余应力，会降低质料的裂纹扩展速率，有用的镌汰应力强度系数，增强疲劳裂纹的闭合效应并增添其裂纹扩展的应力临界值，从而提高金属质料的疲劳性能。

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图５　在AB　LSP 1mm 40%和3D　LSP�。保恚怼。矗埃ィ薄ⅲ澈停保安闶闭闪炕竦玫氖Ｓ嘤αη�

      LSP一最先的研究是将其作为一种古板的外貌处置惩罚要领用于SLM制品的外貌处置惩罚，效果显示LSP可以将抗拉的剩余应力转换成更为有利的压应力状态的剩余应力。在险些所有实验的参数规模内均实现了剩余应力的乐成转换。然而，古板的LSP依然只是作为一种外貌后处置惩罚历程，并不可作为在SLM制造历程中高的抗拉应力剩余应力积累的手段。

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图６�。蹋樱小ⅲ樱小ⅲ粒潞捅湫翁嘶鹛耐饷捕狭研蚊埠透道镆蹲�

      在这里，来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究职员为我们展示了复合增材制造和激光喷丸的３D　LSP（3D Laser Shock Peening (3D LSP) ）手艺。3D LSP是瑞士洛桑联邦理工学院热机械冶金手艺实验室的专利。他们乐成的展示了３D控制SLM历程中的剩余应力。尤其是，将在SLM历程中所爆发的TRS的倒运之处转换为在外貌区域有利的CRS。其强化深度远远的凌驾古板的LSP（见图３）。3DLSP工艺确实可以将CRS在要害区域举行积累。这一将LSP和SLM工艺复合在一起的想法，就是将LSP用于每一层ＳＬＭ的外貌处置惩罚。这样的一种处置惩罚步伐可以在功效上和实践上来实现大部件的制造。所差别的是就是在SLM的扫描头上加装一个用于LSP的扫描头。

       剩余应力对疲劳的影响已经获得了普遍的研究，并且剩余压应力在近外貌的有利影响已经获得证实，并且可以说没有人对此在感应嫌疑。研究发明CRS的深度对疲劳抗力起到很是主要的作用。其深度越深，其外貌爆发裂纹的可能性越小，从而其疲劳抗力越强。只管LSP的参数设置比起古板的SP或者USP来说要重大的多，但仍然是处置惩罚航空航天和核电领域特定要害件的不可替换的处置惩罚工艺，这是由于该手艺具有深的ＣRS。通过一直地重复LSP地历程来处置惩罚SLM地近外貌，同古板地LSP相较量，３D　LSP可以实现CRS强度和深度远远深于和高于古板的LSP，从而使得其疲劳抗力也响应地提高。

 

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