激光定向能量沉積與噴丸復合工藝成形性能研究

張曉宇，李滌塵，黃 勝，李青宇

（1.西安交通大學機械工程學院，機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西西安 710054；2.成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，四川成都 610091；3.中國核動力研究設計院，核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川成都610213 ）

激光定向能量沉積是一種通過利用高功率激光提供能量將材料加熱至熔融狀態(tài)并固化成所需零件的增材制造技術，具備高溫下快速冷卻凝固的特點，成形零部件一般組織細膩、成形精度高、熱影響區(qū)小、結合強度高，成形零部件可達鍛件性能[1]，在零部件修復與再制造領域有較高的應用價值[2-4]。由于激光定向能量沉積是一種基于熱成形的加工工藝，加工原理的局限性使其具有微觀缺陷不可避免、殘余應力高等問題，制約自身的大規(guī)模應用。近期研究發(fā)現(xiàn)，通過將超聲沖擊技術、軋輥技術、激光沖擊技術等與增材制造相結合的復合金屬增材制造能夠彌補成形零部件的缺陷[5-7]，但也存在沖擊力不均勻、軋輥壽命有限、強化深度受限等問題。

激光定向能量沉積與噴丸復合增材制造工藝，是通過噴丸這種柔性強化工藝向工件引入壓應力與冷氣流，使工件在成形過程中產(chǎn)生塑性形變的同時降低熱積累，改變表面應力狀態(tài)，減少內(nèi)部缺陷，提高成形工件的力學性能[8]。作為一種新興的技術，噴丸復合增材的原理與大多數(shù)金屬增材制造強化工藝類似，利用增材制造的原理優(yōu)勢，將表面強化通過逐層制造擴展為材料的整體強化，顯著地擴寬激光定向能量沉積成形工藝的潛在應用價值。

1 實驗方案

1.1 強化原理

圖1 是激光定向能量沉積與噴丸復合工藝強化原理。在激光定向能量沉積成形過程中，隨著沉積層數(shù)的增加，熱應力逐漸累積，沉積層內(nèi)部難免產(chǎn)生孔洞。激光定向能量沉積成形易形成氧化皮從而造成層間氧化，通過將噴丸和激光定向能量沉積工藝復合，噴丸向成形材料引入壓應力，轉變其表面應力狀態(tài)，使材料產(chǎn)生塑性形變，部分微觀孔洞減少，同時利用噴丸的磨蝕作用去除材料表面氧化皮，從而降低表面粗糙度。通過逐層噴丸的方式，復合工藝將表面強化技術轉變?yōu)閷嶓w強化技術。

圖1 強化原理示意圖

1.2 成形材料

激光定向能量沉積與噴丸復合工藝采用同材強化的方法，即成形與強化采用相同材料，既保證了沖擊效果，又減少了雜質(zhì)引入和粉末回收問題。實驗所采用的成形材料為Fe-Cr-Ni-B-Si 粉末，該材料為球形的自熔性合金，粒徑在45～105 μm，具有較強的脫氧造渣能力，其組成成分如表1 所示。該材料的脫氧造渣特性可有效減少噴丸過程中大量氣流造成的氧化問題，更好地實現(xiàn)復合工藝。

表1 Fe-Cr-Ni-B-Si 粉末組成

1.3 工藝參數(shù)

分別對通過激光定向能量沉積工藝和復合工藝進行成形。復合工藝采用先沉積成形、后噴丸強化的方式。如圖2 所示，兩種工藝試驗采用相同的工藝參數(shù)。成形后分別檢測拉伸強度、硬度、密度、表面應力與表面粗糙度。

表2 工藝參數(shù)表

2 成形性能評價

2.1 基本特性

表3 是激光定向能量沉積工藝和復合工藝成形試樣的性能對比，其中硬度試驗的加載載荷為500 g、保荷時間為10 s。可見，與激光定向能量沉積工藝相比，激光定向能量沉積與噴丸復合工藝成形的試樣密度、硬度和表面應力均有所提高，表面粗糙度值有所降低，這是由于激光定向能量沉積與噴丸強化的復合工藝在成形過程中向材料引入了壓應力，通過塑性變形有效壓縮了氣孔的擴展范圍甚至消除氣孔，使材料密度有所提升。

表3 成形試樣基本特性

經(jīng)復合工藝成形的試樣表面平均殘余應力由拉應力轉變?yōu)閴簯?，引入的壓應力?11.6 MPa，是激光定向能量沉積試樣表面拉應力的2.26 倍，表現(xiàn)出良好的成形質(zhì)量。由于噴丸強化引起塑性變形和晶粒細化，復合工藝成形試樣的硬度由407.4HV提升至423.5HV；同時，噴丸碰撞試樣表面產(chǎn)生磨蝕作用，使試樣表面粗糙度值由Ra39.13 μm 降低至Ra25.18 μm。

2.2 拉伸性能

表4 是通過激光定向能量沉積工藝和復合工藝成形的試樣拉伸性能?？梢?，與激光定向能量沉積工藝相比，激光定向能量沉積與噴丸復合工藝成形的抗拉強度和屈服強度都有所提高，均值分別提高了12.13%和53.24%，而材料的塑性有所降低，平均斷裂伸長率由16%降低到10%。

表4 成形試樣拉伸性能

由拉伸性能對比可知，激光定向能量沉積與噴丸復合工藝可有效地提高成形材料的力學性能，尤其在提升屈服強度方面具有較為明顯的作用，該種復合工藝可有效地提高成形后零部件的使用極限，極大地提高其在使用過程中的抗變形能力，增強成形零部件的質(zhì)量與性能。其性能提高的原因之一是由于噴丸引入壓應力，使成形試樣的應力狀態(tài)發(fā)生改變，材料表面的應力狀態(tài)對其疲勞性能有較大影響，研究中雖未對疲勞性能進行測試，但屈服強度有了明顯的改善，而屈服強度對疲勞極限、疲勞裂紋起始門檻值有重大影響[9]；另外，材料內(nèi)部缺陷的減少也是性能提高的重要原因。

圖2 是兩種工藝成形試樣的拉伸應力-應變曲線?？梢姡瑑煞N工藝的拉伸性能有明顯差別，拉伸斷裂過程接近，成形材料的應力在屈服后增加到最大值，當應力增至最大后材料出現(xiàn)頸縮而失穩(wěn)，然后應力減小直至在頸縮處發(fā)生最終的斷裂。顯然，在拉伸的過程中具有屈服階段但無明顯屈服點。

圖2 試樣拉伸應力-應變曲線

3 結論

本文基于激光定向能量沉積與噴丸復合工藝的機理，探索并比較了該工藝與單激光定向能量沉積工藝的加工性能與質(zhì)量，得到以下結論：

（1）激光定向能量沉積和噴丸復合工藝能有效改善試樣的基本特性，將殘余拉應力轉化為壓應力，同時可改善成形表面質(zhì)量，提高成形材料的密度與硬度。

（2）激光定向能量沉積和噴丸復合工藝可有效改善成形材料的力學性能，尤其屈服強度的提升方面較為明顯，從而提高成形后零部件的使用壽命。