核技术助力激光立体成形中残余应力及沉积高度理论模型的验证

图为站在Kowari应变扫描仪旁边的Anna Paradowska和Mark Reid博士

图片来源：澳大利亚核科学与技术组织（ANSTO）

澳大利亚核科学与技术组织（ANSTO）利用中子衍射应变扫描测量验证了一种新的理论模型，该模型可以成功预测激光立体成形中的残余应力和临界沉积高度。

该模型由印度理工学院孟买分校的Ramesh Singh教授与莫纳什大学的Wenyi Yan教授合作开发，同时考虑到了热机械行为以及直接能量沉积技术的冶金转化，激光熔覆技术便是很具有代表性的例子。

Yan教授表示：“通过与ANSTO合作，我们可以使用世界级的先进设施，极大地提高了我们的研究质量。刚发表在科学报告中的这篇论文便是研究成果之一，而接下来我们还会拿出更多更优秀的研究成果。”

他还介绍道：“这项研究是在印度理工学院孟买分校和莫纳什大学的联合博士培训项目中完成的。研究的第一作者Santanu Paul出色地完成了他的博士研究，现在正在一家国际公司进行开发增材制造软件的工作。”

激光熔覆技术可以有效提高材料性能，因此被广泛用于汽车和航天工业中零部件的维护、维修和检修过程中。

定向能量沉积法具有巨大的发展潜力，可以用于航天零部件和模具的修复和重新制造，这些零部件和模具经常受到循环热机械载荷造成的损坏。然而，沉积层中拉伸残余应力的存在却会减少零部件的疲劳寿命。

图片来源：澳大利亚核科学与技术组织（ANSTO）

Singh教授则表示：“此次开发的完全耦合的热机械和冶金模型已被用于临界沉积高度的确定，而临界沉积高度则可以确保沉积层的压应力，从而实现可持续恢复。”

Singh教授还表示：“与ANSTO团队合作从事残余应力相关实验是一件愉快的事，我们相互学到了很多宝贵的经验，而这一篇论文只是我们合作的开始。”

通过对金属-热机械模型的预测，研究人员在这篇论文中阐明了激光包裹钢横截面残余应力的变化，同时证明了临界沉积高度的存在。

临界沉积高度与层厚度是相对应的，而沉积层又能够使得有益压缩残余应力实现最大化。

低于临界高度的沉积层会产生有害的拉伸残余应力，而高于临界高度的沉积层则又会导致过度稀释。

研究还发现，沉积层处于临界高度时，凝固率会达到最低。Kowari残余应力衍射仪主要用于测量H13钢样品的宏观残余应力，而用于测量的样品则选用了钒含量较高的坩埚颗粒冶金钢粉。

利用Kowari残余应力衍射仪进行的残余应力三维测量具有精度高和无破坏性的特点。研究科学家和工业联络经理Anna Paradowska博士是Mark Reid博士的共同作者，他认为：“模型与验证结果几乎一致。利用Kowari残余应力衍射仪，我们能够识别沉积层中的三轴残余应力，验证了模型所预测的位置。”

激光熔覆是一种将熔融金属沉积在相对较冷的钢基体上的技术，该过程会产生复杂的残余应力剖面。

目前应用广泛的基于热力学性质的理论模型，高估了残余拉伸应力，低估了基体和界面处的残余压缩应力。

该小组使用了印度理工学院的表面X射线衍射仪测量了一个方向的残余应力。然而，更为重要的是取得完全非破坏性的批量测量以及可以验证内部的测量过程。

这两种衍射技术都测得了熔体前缘附近的残余拉伸应力以及沉积层的残余压缩应力。

Paradowska教授表示：“对于增材制造工业来说，理解并预测应力是非常重要的。验证模型可以进一步优化生产过程并提高成本效益，这在生产过程中是十分有益的。”

利用该模型可以计算激光位置率，以达到特定的沉积高度，同时降低有害应力的影响，最大限度地提高有益的压应力。

该研究的作者们提出了一种科学的技术解决方案，它可以提高激光立体成形零部件的质量、安全性和经济性。

文章来自PHYS.ORG,原文题目为Nuclear technique helps validate theoretical model for optimised laser material deposition in additive manufacturing，由材料科技在线汇总整理。