增材-微鍛造加工工藝應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬研究

任朝暉, 王云賀, 李竺鴻, 王 琛

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

激光增材加工過(guò)程中,由于材料經(jīng)歷了快熱快冷的過(guò)程,往往會(huì)在熔覆層表面形成不利的殘余應(yīng)力,容易產(chǎn)生微裂紋開(kāi)裂、扭曲變形,甚至降低機(jī)械性能[1-2].為提高增材制件的加工質(zhì)量,近年來(lái)超聲微鍛造等外能場(chǎng)輔助技術(shù)逐漸被應(yīng)用于增材制件微觀組織及力學(xué)性能缺陷的改善.

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)外能場(chǎng)改善熔覆層缺陷的相關(guān)工藝進(jìn)行了探索.Altenkirch等[3]對(duì)攪拌摩擦焊(FSW)焊覆層殘余應(yīng)力的滾壓光整強(qiáng)化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了殘余應(yīng)力、變形、強(qiáng)化程度,并對(duì)比了焊趾和焊縫的表面強(qiáng)化區(qū)別.戚永愛(ài)等[4]對(duì)FGH95鎳基合金激光熔覆層進(jìn)行了超聲沖擊處理,觀察到了微觀組織變化特征,測(cè)量了晶粒尺寸,并對(duì)比沖擊前后熔覆層截面的顯微維氏硬度.Suh等[5]將超聲冷鍛技術(shù)應(yīng)用于鋼的制造過(guò)程中,經(jīng)過(guò)處理后的制件表面硬度和疲勞極限均有所提高,并且產(chǎn)生了較大的殘余壓應(yīng)力,有效地提高了材料的力學(xué)性能并減小了表面粗糙度.Ye等[6]研究了不同參數(shù)下的超聲微鍛造處理對(duì)激光金屬絲沉積Ti-6Al-4V合金組織和力學(xué)性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,載荷對(duì)熔覆層形狀的影響更為顯著,而振幅的增加可以細(xì)化晶粒,有助于產(chǎn)生層狀(α+β)結(jié)構(gòu).任朝暉等[7]采用數(shù)值模擬的方法,研究了超聲微鍛造對(duì)激光增材制件殘余應(yīng)力的影響,結(jié)果表明超聲沖擊可以使熔覆層的應(yīng)力分布更加均勻.綜上,關(guān)于熔覆層的超聲微鍛造及相關(guān)工藝的研究,逐漸成為該領(lǐng)域一個(gè)新的研究方向.

現(xiàn)階段對(duì)增材-鍛造工藝相關(guān)的熱力耦合的研究還很少.本文借助ANSYS有限元軟件，以TC4為研究對(duì)象,對(duì)其增材-微鍛(AM-MF)加工工藝進(jìn)行順序熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬研究,分析熱源作用下的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布,并對(duì)超聲微鍛造加工對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布的改善進(jìn)行分析.為實(shí)際加工奠定一定的理論基礎(chǔ),從而提高激光熔絲增材制件的加工質(zhì)量,改善增材制件的微觀組織及其力學(xué)性能缺陷.

1 有限元模型的建立

考慮激光增材熔覆層材料表面溫度及應(yīng)力分布的變化,針對(duì)增材-微鍛加工工藝,以熱源加載后的表面溫度分布以及應(yīng)力分布作為超聲微鍛造加工的初始條件,使用ANSYS有限元軟件對(duì)增材-微鍛加工工藝進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元數(shù)值模擬研究.

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

有限元模型選取24 mm×3 mm×9 mm的多層堆積后的薄壁件模型,工具頭直徑為8 mm,接觸寬度為3 mm,工具頭設(shè)置為剛體.對(duì)工具頭施加振幅為20 μm,頻率為20 kHz的法向位移載荷,工具頭與熱源保持15 mm相對(duì)距離,以6 mm/s速度同步進(jìn)給.

圖1為增材-微鍛加工工藝的有限元模型,對(duì)此模型的網(wǎng)格均采用掃掠劃分8節(jié)點(diǎn)六面體單元,且對(duì)上表面網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)細(xì)化.劃分后的有限元模型含有79 501個(gè)單元、87 566個(gè)節(jié)點(diǎn),劃分后的網(wǎng)格質(zhì)量較為均勻,網(wǎng)格質(zhì)量較好,符合有限元分析條件.

圖1 增材-微鍛加工工藝有限元模型Fig.1 FEM model of AM-MF process

1.2 熱源設(shè)置

選取激光功率500 W、光斑直徑為2 mm的高斯熱源對(duì)表面進(jìn)行移動(dòng)熱源加載,材料吸收率選取為0.4,對(duì)加載表面以外的表面施加對(duì)流換熱,選取初始環(huán)境溫度為50 ℃.

激光器形成的高斯熱源模型如圖2所示,其中任一點(diǎn)的熱流密度表達(dá)式為[8]

圖2 高斯熱源模型Fig.2 Gaussian heat source model

(1)

式中:Qb為激光器功率;η為材料的吸收率;rb為激光有效半徑;RL為被加工表面上熱源作用范圍內(nèi)一點(diǎn)到熱源中心點(diǎn)間的距離.

1.3 材料模型

本文選取材料為T(mén)C4鈦合金(Ti-6Al-4V),TC4屬于(α+β)型鈦合金,因其具有良好的力學(xué)性能、機(jī)械性能以及較大的比強(qiáng)度,使得其在航空航天、海洋船舶、醫(yī)療等領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用[9-11].

材料參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化,并對(duì)溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生很大的影響,材料參數(shù)的設(shè)置在有限元分析中占有重要地位.TC4在不同溫度下的熱物理性能參數(shù)及力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[12].

表1 TC4鈦合金熱物理性能參數(shù)及力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters and mechanical parameters of TC4 titanium alloy

1.4 加載方式

使用順序熱-結(jié)構(gòu)耦合,進(jìn)行熱源加載下的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算,再將溫度場(chǎng)結(jié)果加載至超聲微鍛造應(yīng)力分析中,通過(guò)調(diào)整載荷加載與溫度場(chǎng)時(shí)間點(diǎn)的讀取,完成對(duì)工具頭與高斯熱源同步加載的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析.熱單元與結(jié)構(gòu)單元的轉(zhuǎn)換選用ETCHG指令,溫度場(chǎng)的耦合選取LDREAD等指令加載.

2 結(jié)果及分析

移動(dòng)激光熱源的加載,使材料經(jīng)歷了復(fù)雜的熱力及物態(tài)變化.經(jīng)過(guò)熱源加載后形成的熔覆層,往往由于溫度場(chǎng)不均勻分布、熱源引起的物態(tài)變化,形成較復(fù)雜的熱應(yīng)力分布,所以對(duì)熱應(yīng)力場(chǎng)的研究必不可少.

2.1 激光熔絲溫度場(chǎng)結(jié)果分析

根據(jù)建立的增材-微鍛有限元模型,展開(kāi)順序熱-結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究.首先選取solid70單元進(jìn)行溫度場(chǎng)的分析.在多層熔覆層模型的表面施加高斯熱源熱流密度及對(duì)流換熱系數(shù),對(duì)上表面施加進(jìn)給速度為6 mm/s的高斯熱源,進(jìn)行激光熔絲增材溫度場(chǎng)的有限元數(shù)值模擬計(jì)算.

圖3為熱源加載至2 s和4 s,即熱源分別位于模型中點(diǎn)及終點(diǎn)處加載時(shí),熔覆層表面的溫度分布情況.可以看出,熱源加載時(shí),材料被迅速加熱,局部溫度高于TC4熔點(diǎn)(1 700 ℃)形成熔池,如圖3a所示,熱源后方溫度以較小的溫度梯度下降,熔池凝固,形成可靠的冶金連接.隨著加載的不斷進(jìn)行,由于熱量積累的作用,當(dāng)熱源加載至模型終點(diǎn)時(shí),溫度達(dá)到最高,超過(guò)2 500 ℃,如圖3b所示.在熱源加載過(guò)程中,整體溫度場(chǎng)變化呈速熱速冷趨勢(shì),并且熱源前方的溫度梯度比后方高,這是形成較大的殘余熱應(yīng)力的根本原因.

圖3 熱源加載下材料表面的溫度場(chǎng)分布Fig.3 Temperature field distribution of material surface during heat source loading(a)—加載過(guò)程中； (b)—加載完成時(shí).

2.2 激光熔絲應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析

在激光熔絲增材的加工過(guò)程中,熔覆層表層先后經(jīng)歷了固態(tài)、加熱熔融至液態(tài)、冷卻至固態(tài).材料物態(tài)的變化伴隨著不均勻的膨脹與收縮,此時(shí)的材料受到相鄰部分的約束,阻礙了材料的局部變形,形成熱應(yīng)力分布.根據(jù)第四強(qiáng)度理論的von Mises準(zhǔn)則,當(dāng)材料應(yīng)力大于其屈服強(qiáng)度時(shí),會(huì)發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛性和穩(wěn)定性降低[13].

為了探究激光增材過(guò)程中的應(yīng)力分布情況,使用順序熱-結(jié)構(gòu)耦合的方法,基于前文的熱分析結(jié)果,將solid70單元轉(zhuǎn)化為solid185單元,對(duì)模型底面進(jìn)行全約束,模擬多層熔覆層固定在基板的實(shí)際工況.去除先前熱分析中的所有熱源輸入,補(bǔ)充材料的熱物理性能參數(shù),逐步加載溫度場(chǎng)分析的溫度結(jié)果,完成激光熔絲增材順序熱-結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模擬應(yīng)力場(chǎng)分布計(jì)算.

圖4為熱源加載至模型終點(diǎn)時(shí)的熔覆層表面殘余應(yīng)力分布.熔覆層表面經(jīng)過(guò)熱源加載后進(jìn)行卸載,表層材料經(jīng)歷了受熱膨脹后的冷卻收縮,由于周?chē)牧系募s束引起拉伸,在材料表層形成殘余應(yīng)力分布,如圖4a所示.隨著激光熱源的移動(dòng),已加工表面與熱源的距離逐漸增加,熱量的累積減小,同時(shí),由于熱量散失,已加工表面冷卻,溫度下降,表層材料繼續(xù)發(fā)生收縮,引起周?chē)牧系倪M(jìn)一步拉伸.由圖4b和4c可以看出,在材料表層X(jué)向以及Y向,形成更大的殘余拉應(yīng)力.而對(duì)于Z向,由于該方向上方?jīng)]有材料可以產(chǎn)生約束力,因此殘余應(yīng)力近似為0.由此可見(jiàn),在多數(shù)激光熔覆或焊接問(wèn)題中,表層應(yīng)力分布多為兩向殘余應(yīng)力狀態(tài),材料表層Z向殘余應(yīng)力可以忽略.因而,對(duì)此類應(yīng)力改善的相關(guān)加工工藝,需要針對(duì)材料表層水平兩方向的殘余應(yīng)力進(jìn)行改善.

圖4 熱源加載完成時(shí)材料表面的應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.4 Stress field distribution of material surface during heat source loading(a)—等效應(yīng)力; (b)—X向; (c)—Y向; (d)—Z向.

2.3 增材-微鍛應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析

將熱應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果作為初始應(yīng)力,加入超聲微鍛造處理進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,圖5即為在熱源加載時(shí)同步施加表面超聲微鍛造加工完成時(shí)上表面的X、Y向應(yīng)力分布.

圖5 超聲微鍛造加載完成時(shí)材料表面應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution on the surface of material when URB loading complete(a)—X向; (b)—Y向.

可以看出,在經(jīng)歷了超聲微鍛造工具頭的超聲沖擊與連續(xù)滾壓加載后,表面兩方向上殘余的熱彈塑性拉應(yīng)力均轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為有利的殘余壓應(yīng)力.這表明超聲微鍛造處理可以對(duì)熔覆層表面產(chǎn)生X向和Y向的壓應(yīng)力,能夠有效避免表面微裂紋擴(kuò)展、開(kāi)裂等缺陷,提升表面疲勞強(qiáng)度,提高激光熔絲增材制造零件的加工質(zhì)量.

圖6展示了材料上表面沿進(jìn)給方向未經(jīng)超聲微鍛造的激光增材熔覆表面初始應(yīng)力分布以及施加了超聲微鍛造后的增材-微鍛加工上表面應(yīng)力分布的對(duì)比.由于熱源加載以及超聲微鍛造加工對(duì)于材料表面法向應(yīng)力影響較小,對(duì)比研究的是材料表面水平方向兩向應(yīng)力沿進(jìn)給方向的分布情況.可以看出,忽略模型邊緣應(yīng)力集中的影響,超聲微鍛后材料上表面沿X、Y方向的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為更有利的壓應(yīng)力.X方向的殘余應(yīng)力最大值從428.7 MPa降低到-153 MPa,降低了135.7%;Y方向殘余應(yīng)力最大值從97.4 MPa降低到-450 MPa,降低了561.8%,應(yīng)力場(chǎng)變化明顯,具有理想的應(yīng)力改善效果.

圖6 超聲微鍛造加工前后水平方向兩向應(yīng)力對(duì)比Fig.6 Comparison of horizontal two-direction stress before and after URB(a)—X向; (b)—Y向.

2.4 超聲微鍛造工藝參數(shù)的影響結(jié)果

在實(shí)際的加工工藝中,影響加工質(zhì)量的工藝參數(shù)有很多,不同的工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量帶來(lái)不同的影響.針對(duì)超聲微鍛造加工工藝,本文主要研究了該過(guò)程中的振幅、進(jìn)給速度以及鍛造溫度三個(gè)主要工藝參數(shù).探究各工藝參數(shù)對(duì)加工后材料表層的水平兩向殘余應(yīng)力分布及表面法向變形的影響.

2.4.1 超聲振幅對(duì)殘余應(yīng)力及變形的影響

與普通的鍛造或者滾壓加工不同,超聲微鍛造是在滾壓光整強(qiáng)化的基礎(chǔ)上添加幾十微米級(jí)振幅的法向超聲振動(dòng)的表面強(qiáng)化加工工藝.振幅可以通過(guò)超聲微鍛造系統(tǒng)中的變幅桿進(jìn)行調(diào)控,保持上文中的超聲微鍛造參數(shù)不變,只改變振幅大小,選取20～40 μm范圍內(nèi)的超聲振動(dòng)幅值進(jìn)行數(shù)值模擬研究.

從圖7中可以看出,隨著超聲振幅的增加,熔覆層表面產(chǎn)生的兩方向上的殘余壓應(yīng)力也逐漸增加,呈正相關(guān)關(guān)系.超聲振幅的大小直接影響著接觸區(qū)內(nèi)載荷的大小,更大的超聲振幅意味著更大的法向加載載荷,從而產(chǎn)生了更大的殘余壓應(yīng)力.對(duì)于熔覆層的法向變形量,隨著超聲振幅的增加發(fā)生了顯著降低.

圖7 超聲振幅對(duì)兩向殘余應(yīng)力及法向變形的影響Fig.7 Effect of ultrasonic amplitude on two-direction residual stress and normal deformation

2.4.2 進(jìn)給速度對(duì)殘余應(yīng)力及變形的影響

對(duì)應(yīng)用于增材制造的超聲微鍛造加工而言,進(jìn)給速度的改變意味著超聲微鍛造加工時(shí)間的改變,這對(duì)輸入的總能量大小有顯著影響.當(dāng)進(jìn)給速度增大時(shí),必定會(huì)減少單位距離內(nèi)超聲微鍛造作用的次數(shù),從而減弱對(duì)熔覆層內(nèi)應(yīng)力改變的效果.圖8中的殘余壓應(yīng)力變化曲線很好地驗(yàn)證了這一點(diǎn),Y向應(yīng)力相比X向應(yīng)力減小效果更小一些,此外,進(jìn)給速度的增加也會(huì)導(dǎo)致法向變形量減少,這與超聲振幅的影響規(guī)律相同.

圖8 進(jìn)給速度對(duì)兩向殘余應(yīng)力及法向變形的影響Fig.8 Effect of feed speed on two-direction residual stress and normal deformation

2.4.3 鍛造溫度對(duì)殘余應(yīng)力及變形的影響

增材制造是一個(gè)快冷快熱的過(guò)程,所以初始的鍛造溫度取決于實(shí)際增材制造結(jié)束后的冷卻時(shí)間以及TC4材料的基本屬性.實(shí)際工況下,為避免結(jié)構(gòu)干涉,超聲微鍛造加工工具頭與增材部分的激光器和送絲裝置存在著一定的距離.由溫度場(chǎng)的結(jié)果可以確定達(dá)到初始設(shè)定溫度的兩裝置的間隔距離,從而實(shí)現(xiàn)鍛造溫度的調(diào)控.初步確定對(duì)700 ℃到900 ℃下的TC4材料進(jìn)行超聲微鍛造加工數(shù)值模擬.

如圖9所示,鍛造溫度對(duì)于表面水平兩向殘余壓應(yīng)力具有顯著的負(fù)相關(guān)影響,由于設(shè)定材料為各向同性的,所以兩方向殘余應(yīng)力變化程度相近.鍛造溫度對(duì)于表面法向變形量具有顯著的正相關(guān)影響,這是由于鍛造溫度能直接影響被加工材料自身的熱物理性能參數(shù),如材料彈性模量、屈服強(qiáng)度等.

圖9 鍛造溫度對(duì)兩向殘余應(yīng)力及法向變形的影響Fig.9 Effect of forging temperature on two-direction residual stress and normal deformation

3 結(jié) 論

1) 增材加工過(guò)程中,高斯熱源在材料表面移動(dòng)加載,形成了不均勻的溫度分布.其中,熱源前方的溫度梯度比后方的大.材料在移動(dòng)熱源的作用下,經(jīng)歷了初始溫度、迅速加熱、熔融形成熔池、冷卻凝固等過(guò)程.在熔池處應(yīng)力近似為0,熔池前方分布熱彈塑性壓應(yīng)力,熔池后方分布熱彈塑性拉應(yīng)力.

2) 使用超聲微鍛造工藝對(duì)尚未冷卻的熔覆層進(jìn)行加工,借助外載荷作用,改善熔覆層應(yīng)力分布,將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為較為有益的殘余壓應(yīng)力,降低表層微裂紋擴(kuò)展和發(fā)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn),提升增材制件表面加工質(zhì)量.

3) 超聲微鍛造的工藝參數(shù)中，振幅對(duì)殘余壓應(yīng)力的大小呈正相關(guān)關(guān)系,進(jìn)給速度與鍛造溫度對(duì)殘余壓應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;超聲振幅與進(jìn)給速度對(duì)熔覆層表面的法向變形量影響呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,鍛造溫度對(duì)變形量的影響為正相關(guān).