融合增材制造技術(shù)的工程力學專業(yè)課程創(chuàng)新實驗教學實踐

楊未柱 樊哲銘 李磊 王心美 曾延 岳珠峰

［摘 要］在工程應用中，增材制造材料及結(jié)構(gòu)的力學和承載性能至關(guān)重要。為適應工程力學專業(yè)人才的行業(yè)需求，課題組將激光增材制造技術(shù)引入實驗教學，并設計了激光熔覆修復鎳基高溫合金小試樣的拉伸實驗項目。通過激光熔覆修復高溫合金小試樣制備、基于DIC非接觸全場應變測量的小試樣拉伸實驗以及拉伸斷裂機理分析等步驟，學生可以掌握激光熔覆技術(shù)原理及其修復高溫合金力學性能的評估方法?；谠擁椖?，課題組開展了工程力學專業(yè)的創(chuàng)新實驗教學，并結(jié)合大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，有效提升了學生的實踐創(chuàng)新能力，取得了良好效果。

［關(guān)鍵詞］增材制造；工程力學專業(yè)；創(chuàng)新實驗教學；激光熔覆；數(shù)字圖像相關(guān)法

［中圖分類號］TB12［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）08-0043-06

工程力學是航空、航天、航海、機械、材料等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學科，也是連接自然科學與工程實際的橋梁[1]。工程力學專業(yè)致力于培養(yǎng)兼具理論基礎(chǔ)和工程實踐能力的高素質(zhì)創(chuàng)新人才。目前，增材制造構(gòu)件因其在航空、航天、汽車及機器人等行業(yè)的高設計自由度、經(jīng)濟性、高材料效率及減少裝配等優(yōu)勢，得到了廣泛應用[2-4]。《中國制造2025》明確將增材制造列入發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品、推進制造過程智能化、加快關(guān)鍵技術(shù)和裝備研發(fā)的重點領(lǐng)域[5]。增材制造技術(shù)的發(fā)展豐富了高性能、多功能結(jié)構(gòu)的設計自由度。然而，由于孔隙、微裂紋等缺陷導致的力學性能分散性，增材制造材料和構(gòu)件的力學性能評估在工程應用中備受關(guān)注[6]。為適應行業(yè)發(fā)展需求，有必要將增材制造技術(shù)引入工程力學專業(yè)課程教學中，以培養(yǎng)具備實踐創(chuàng)新能力的復合型交叉學科人才。

2019年9月，教育部發(fā)布《關(guān)于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，明確提出應推動科研反哺教學。強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，激發(fā)學生專業(yè)學習興趣[7]。將科研成果轉(zhuǎn)化融入教學實踐，有助于培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力，并提高學生解決實際工程問題的能力[8-10]。此外，在一流課程建設的背景下，提升實驗課程的高階性、創(chuàng)新性也愈發(fā)重要[11]。因此，本文針對拔尖創(chuàng)新力學人才的培養(yǎng)需求，將激光增材制造技術(shù)引入工程力學專業(yè)課的實驗教學中，設計了激光熔覆修復鎳基高溫合金小試樣的拉伸實驗教學。結(jié)合實驗課程和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃等教學實踐，取得了良好效果，為相關(guān)專業(yè)創(chuàng)新實驗教學提供了借鑒。

一、創(chuàng)新實驗教學項目背景及目標

本創(chuàng)新實驗教學項目以航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)損傷修復為背景，針對發(fā)動機渦輪部件常用的鎳基高溫合金，采用激光熔覆技術(shù)進行修復。同時結(jié)合DIC（Digital Image Correlation，數(shù)字圖像相關(guān)法）非接觸測量方法，對含修復界面的試樣進行拉伸實驗，以評估其修復后的力學性能。鎳基高溫合金常用于航空發(fā)動機渦輪部件，這些部件在高溫、高壓的復雜熱機械載荷環(huán)境下工作，易產(chǎn)生燒蝕、開裂等損傷。鑒于渦輪部件對飛行安全的重要性，發(fā)展高效、高性能的損傷修復技術(shù)至關(guān)重要，這有助于降低發(fā)動機運維成本，提高安全性。激光熔覆技術(shù)是一種利用激光作為能量源的金屬增材制造技術(shù)，其能量密度大、熱影響區(qū)小、熔覆組織致密，被視為渦輪部件損傷修復的理想技術(shù)[12]，渦輪部件的修復和性能評估技術(shù)是我國在航空發(fā)動機及燃氣輪機領(lǐng)域亟待攻克的“卡脖子”技術(shù)之一[13]。西北工業(yè)大學作為以航空、航天、航海（以下簡稱三航）領(lǐng)域人才培養(yǎng)為特色的高等院校，為滿足國家及未來行業(yè)發(fā)展需求，在培養(yǎng)國家一流專業(yè)——工程力學專業(yè)的學生時，應將廣泛應用于三航領(lǐng)域的激光增材制造技術(shù)引入教學中。

本創(chuàng)新實驗教學項目依托國家級力學實驗教學示范中心及陜西省航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度與可靠性重點實驗室，秉承價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授“三位一體”的人才培養(yǎng)理念，結(jié)合課題組最新科研成果[14-16]，通過科研反哺教學，讓學生了解激光熔覆技術(shù)的設備和原理，掌握基于DIC非接觸測量的小試樣拉伸實驗方法，提升實踐創(chuàng)新能力，并拓寬學術(shù)視野。同時，結(jié)合項目背景開展課程思政教學，培養(yǎng)學生的家國情懷，激發(fā)他們獻身國防、建設航空強國的熱情。

二、創(chuàng)新實驗教學項目設計及實踐

（一）實驗目的

本創(chuàng)新實驗教學項目以鎳基高溫合金為原材料，通過激光熔覆修復實驗及修復后小試樣拉伸實驗，達到以下實驗目的：

第一，了解激光熔覆修復鎳基高溫合金的設備組成及其基本原理；

第二，采用合適的激光熔覆修復工藝，在鎳基高溫合金基板上沉積足夠材料，制備含修復界面的小試樣；

第三，掌握DIC原理及基于DIC非接觸測量的小試樣拉伸實驗方法；

第四，分析含修復界面小試樣的拉伸力學性能及其應變分布演化過程；

第五，初步了解斷口學，學習拉伸斷口的基本分析方法，理解試樣斷裂機理。

綜上所述，通過本創(chuàng)新實驗教學項目的實施，可以達到價值塑造、能力提升的教學目的。

（二）實驗設備

本創(chuàng)新實驗教學項目主要使用激光熔覆設備、非接觸全場應變測量系統(tǒng)、電子萬能試驗機、掃描電子顯微鏡等設備。以下將重點介紹激光熔覆設備和非接觸全場應變測量系統(tǒng)。

1.激光熔覆設備

激光熔覆修復采用同軸送粉式的鐳明LM-S0303激光熔覆設備，它由控制系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、保護氣系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)五部分組成，如圖1（a）所示。圖1（b）展示了激光熔覆技術(shù)的運行原理：通過高能激光加熱基板形成局部熔池，并利用物料輸送系統(tǒng)將粉末輸送到成型的熔池中。隨著激光光斑的移動，粉末經(jīng)歷熔化和凝固過程后沉積在基板上，實現(xiàn)層疊材料成型或?qū)θ睋p構(gòu)件進行修復。

2.非接觸全場應變測量系統(tǒng)

鑒于本創(chuàng)新實驗教學項目拉伸實驗的對象是激光熔覆修復后的小試樣，常規(guī)的夾式引伸計或應變片并不適用。同時，考慮到熔覆區(qū)和基體區(qū)材料性能差異，拉伸過程中應變分布不均。因此，課題組采用基于DIC非接觸全場應變測量方法。DIC的基本原理是通過跟蹤試樣表面變形前后散斑圖像中同一像素點的位置變化，從而獲取該點的位移向量。利用數(shù)字圖像相關(guān)的算法準則，可以測量出試件表面的全場位移及應變數(shù)據(jù)方法。本創(chuàng)新實驗教學項目采用MatchID-2D/3D非接觸全場變形與應變測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由高速攝像機、光學鏡頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機及相關(guān)圖像存儲介質(zhì)組成。全場應變測量主要包括以下三個步驟：首先，在試件表面通過噴漆制作散斑圖，以捕捉變形信息；其次，使用高速攝像機采集試件表面加載前后的實時圖像，并將這些圖像存儲于計算機中；最后，利用軟件選擇適當?shù)乃惴ㄌ幚頂?shù)據(jù)，從而得出試件表面的位移場及應變場。

（三）實驗內(nèi)容

激光熔覆修復鎳基高溫合金小試樣拉伸實驗項目綜合性較強，主要包含以下三個步驟：激光熔覆修復高溫合金小試樣制備；基于DIC非接觸全場應變測量的小試樣拉伸實驗；激光熔覆修復高溫合金拉伸斷裂機理分析。

1.激光熔覆修復高溫合金小試樣制備

激光熔覆修復高溫合金的實驗選用GH4169鎳基高溫合金塊體作為基體，將其視為去除表面損傷的待修復構(gòu)件。在修復過程中，課題組采用真空氣霧法制備的GH4169鎳基高溫合金粉末［見圖2（a）］。修復完成后，課題組切取含修復界面的小試樣，以便后續(xù)評估激光熔覆修復高溫合金的力學性能。主要步驟如下：

（1）在激光熔覆前，先用粗砂紙打磨基板表面，除去基板表面氧化層，再用丙酮清洗并烘干；

（2）進行激光熔覆時，通過控制系統(tǒng)按照預定的激光熔覆工藝參數(shù)和掃描路徑，逐道逐層進行熔覆，直至在基板上形成足夠高度的塊體；

（3）激光熔覆完成后，切取包含基體區(qū)和熔覆區(qū)（即含修復界面）的小試樣，以備后續(xù)的拉伸實驗使用。

根據(jù)課題組的前期研究[14]，激光熔覆修復過程中采用的主要工藝參數(shù)如下：激光功率600～800 w，掃描速度400～500 mm/min，送粉速率2.0～3.5 g/min，z軸抬升量0.5 mm，掃描路徑采用“之”字形，且每層之間旋轉(zhuǎn)90°。此外，為了降低熔覆過程中的氧化程度，全程采用保護氣系統(tǒng)向熔覆頭周圍輸送保護氣，營造高純度氬氣環(huán)境。

考慮到高溫合金原材料成本以及大尺寸激光熔覆成型耗時，本創(chuàng)新實驗教學項目采用小試樣進行激光熔覆修復高溫合金力學性能的評估。圖2（b）展示了切取含修復界面小試樣的示意圖，取樣原則為一半基體區(qū)、一半熔覆區(qū)，設計的小試樣尺寸如圖2（c）所示。

2.基于DIC非接觸全場應變測量的小試樣拉伸實驗

針對修復后的高溫合金小試樣，課題組進行了拉伸實驗，利用非接觸全場應變測量系統(tǒng)觀測拉伸過程中試樣的應變分布變化。整個拉伸實驗在電子萬能試驗機上完成，實驗布置如圖3（a）所示。主要步驟如下：

（1）實驗前，對高溫合金小試樣表面進行制斑處理，確保散斑均勻、大小適中，以提高散斑質(zhì)量；

（2）搭建實驗系統(tǒng)，包括安裝試樣夾具與試驗件，架設非接觸全場應變測量系統(tǒng)，將高速攝像機對準小試樣的標距段，調(diào)節(jié)兩側(cè)光源照射在標距段，并在測量軟件中設定初始參考位置；

（3）進行拉伸實驗，采用位移加載方式，記錄實驗數(shù)據(jù)，同時利用測量系統(tǒng)持續(xù)拍攝試樣散斑照片；

（4）處理實驗數(shù)據(jù)，基于DIC非接觸測量獲取位移和應變數(shù)據(jù)，結(jié)合電子萬能試驗機記錄的載荷數(shù)據(jù)繪制工程應力—應變曲線，并利用測量軟件分析應變分布的變化過程。

噴涂完成的帶散斑小試樣和試樣夾具分別如圖3（b）和（c）所示。在進行拉伸實驗時，攝像機和電子萬能試驗機應采用相同的采樣頻率，以簡化實驗數(shù)據(jù)處理。小試樣的工程應變采用基于虛擬引伸計獲取的標距段變形進行計算。但由于基體區(qū)和熔覆區(qū)的材料性能差異，標距段應變分布可能會不均勻。

3.激光熔覆修復高溫合金拉伸斷裂機理分析

針對上述拉伸實驗后的小試樣斷口，課題組將進行斷裂機理分析。首先，需要制備試樣，隨后利用掃描電子顯微鏡對斷口試樣進行形貌觀測與分析。主要步驟如下：

（1）使用超聲波清洗儀去除斷口小試樣表面的油污；

（2）利用導電膠將小試樣固定在樣品盤上，并將制備好的試樣放置在掃描電子顯微鏡樣品臺上，隨后抽真空；

（3）開啟高壓，調(diào)整樣品臺至合適位置，調(diào)焦并選擇適當?shù)姆糯蟊稊?shù)，對試樣斷口形貌和細微觀結(jié)構(gòu)特征進行觀測；

（4）結(jié)合拉伸實驗結(jié)果和斷口學知識，分析試樣斷裂模式，從而揭示激光熔覆修復高溫合金的斷裂機理。

（四）實驗結(jié)果與討論

1.拉伸力學性能

圖4展示了拉伸實驗獲得的高溫合金小試樣應力—應變曲線。數(shù)據(jù)顯示，激光熔覆修復后的鎳基高溫合金在常溫下的屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為844.7 MPa、1138.5 MPa和18.5%，相較于基體材料本身的958.7 MPa、1191.1 MPa和33%均有所降低，表明修復后的鎳基高溫合金強度和塑性有所降低，但強度降低并不顯著，屈服強度和抗拉強度仍保持在基體材料性能的90%左右。圖4展示了基于DIC得到的不同拉伸階段的應變分布云圖。在彈性階段，基體區(qū)和熔覆區(qū)即表現(xiàn)出不同的應變特性，熔覆區(qū)的應變較大，這反映了熔覆區(qū)材料的彈性模量相較于基體區(qū)小，因此在相同載荷作用下呈現(xiàn)出更大的應變。進入塑性階段后，兩區(qū)域的應變逐漸增加，但熔覆區(qū)的應變增長更為顯著。最終，熔覆區(qū)出現(xiàn)了明顯的局部變形，即頸縮現(xiàn)象，隨后在頸縮區(qū)域發(fā)生斷裂。

分布圖

基于課題組研究[14-16]觀測的微觀組織等，可以向?qū)W生解釋激光熔覆修復試樣與基體材料本身力學性能差異的原因。微觀組織分析顯示，激光熔覆成型過程中溫度梯度大和凝固速率高，快速凝固生成了大量脆性相Laves相，抑制了[γ']與[γ'']強化相的析出。因此，生成的枝晶組織強度與硬度較低，導致整體強度下降。此外，熔覆區(qū)域的枝晶與基體區(qū)域的等軸晶組織形貌不同，造成了延伸率的差異。

2.斷裂機理分析

拉伸實驗結(jié)果顯示，斷裂發(fā)生在熔覆區(qū)，表明激光熔覆修復后的界面結(jié)合強度較高。為揭示拉伸斷裂機理，課題組采用掃描電子顯微鏡對高溫合金小試樣的拉伸斷口進行了觀測。圖5（a）展示了斷口的宏觀形貌，整體表現(xiàn)為韌性斷裂，斷口上僅有少量孔隙，孔隙率較低，表明激光熔覆修復的高溫合金致密性良好。由于本實驗中的小試樣未經(jīng)熱處理，Laves相周圍缺乏大量γ''強化相，因此在拉伸載荷作用下，Laves相容易形成應力集中并引發(fā)滑移破碎，生成如圖5（b）所示的大量二次裂紋。這些二次裂紋的存在表明，激光熔覆修復的GH4169合金的斷裂模式為混合斷裂。

在拉伸載荷作用下，由于枝晶干γ相與枝晶間脆性相Laves相的韌性差異，長條狀的Laves相容易形成應力集中并引發(fā)滑移破碎。而顆粒狀的Laves相由于斷裂時臨界應力較高，在受到拉伸載荷時會在Laves/γ界面上發(fā)生剝離現(xiàn)象[14，17]。這種剝離產(chǎn)生了大量微孔洞，隨著拉伸實驗的進行，微孔不斷生長、相互連通形成裂紋，最終導致斷裂。進一步放大的局部斷口圖5（c）展示了斷裂后形成的以枝晶間為韌窩中心、枝晶干為撕裂棱的韌窩組織[18]。

（五）實驗考核

考慮到本創(chuàng)新實驗教學項目的綜合性和工作量，課題組采用小組形式進行教學實踐，每組5人，組內(nèi)成員須根據(jù)實驗任務自主分工合作。鑒于激光熔覆設備、非接觸全場應變測量系統(tǒng)、電子萬能試驗機、掃描電子顯微鏡等設備操作復雜且價值昂貴，課題組安排了操作熟練的研究生助教來指導和協(xié)助實驗。為提高實驗效率，斷口觀測分析采用預先制樣和現(xiàn)場觀測演示的形式，重點在于培養(yǎng)學生對斷裂機理的認知。為提升學生的實驗參與度和能力，本創(chuàng)新實驗教學項目采用綜合考核方式，從實驗報告質(zhì)量、團隊協(xié)作、組內(nèi)互評、助教評價四個方面進行評分，同時鼓勵學生在實驗報告中增加討論分析，提出個人見解。

三、創(chuàng)新實驗教學成效

通過本創(chuàng)新實驗教學項目，學生可直接接觸激光增材制造技術(shù)，系統(tǒng)掌握激光熔覆修復材料或構(gòu)件的力學性能評估流程，學習基于DIC的非接觸測量方法。這不僅拓寬了學生的學術(shù)視野，還鍛煉了他們的實踐創(chuàng)新能力和解決問題的能力，以及激發(fā)了學習興趣，增強了專業(yè)認同感。結(jié)合本項目與其他課程建設，課題組提升了實驗力學課、工程力學實驗課等多門專業(yè)課的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。在此過程中，課題組榮獲了省級和校級教學創(chuàng)新競賽獎項3項，獲批了教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目1項，并成功打造了省級和校級一流課程2門。近兩年，本科生依托本創(chuàng)新實驗教學項目成功獲批國家級大創(chuàng)項目2項、省級1項，并申請了相關(guān)發(fā)明專利3項。同時，參與的研究生也在力學領(lǐng)域頂刊上發(fā)表了4篇關(guān)于激光熔覆方向的高水平論文，分別刊登在IJP、IJMS和IJF等期刊上。

四、結(jié)語

課題組緊密結(jié)合國家需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，建設了激光熔覆修復鎳基高溫合金小試樣拉伸的創(chuàng)新實驗教學項目。該項目將增材制造技術(shù)引入工程力學專業(yè)實驗教學，基于DIC非接觸測量方法，涉及材料、機械制造、力學等多學科知識，呈現(xiàn)出鮮明的學科交叉性、前沿性及綜合研究性。通過創(chuàng)新實驗教學的探索與實踐，學生得以掌握激光熔覆技術(shù)原理及修復高溫合金力學性能的評估方法，從而提升實踐創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)，拓寬學術(shù)視野。此舉為培養(yǎng)適應未來行業(yè)需求的工程力學專業(yè)高水平拔尖創(chuàng)新人才提供了有力支撐。

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［責任編輯：梁金鳳］