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激光快速成形金属零件力学行为研究

杨健  
【摘要】: 激光快速成形技术是近十年来迅速发展起来的一项先进实体自由成形技术,该技术综合快速原型技术与激光熔覆技术的优点,能够实现高性能致密金属零件的直接近终成形,应用前景十分广阔。目前该技术研究尚处于实验阶段,存在许多基础问题亟待解决,本文从实验角度对激光快速成形金属零件的开裂行为、残余应力分布特性及力学性能进行了研究。 采用微观测试分析方法对激光快速成形过程熔覆层裂纹的形成机理及影响因素进行研究。研究表明:对镍基自熔合金,熔覆层开裂属于冷裂纹范畴,是熔覆合金低延性及熔覆层内应力双重作用的结果;对316L不锈钢合金,熔覆层开裂属于热裂纹范畴,是熔覆合金在凝固时晶界处的残余液相受熔覆层拉伸应力作用所导致的液膜分离的结果。两种开裂都说明激光快速成形过程受热不均匀所引起的拉伸应力是产生熔覆裂纹的外在原因。 采用小孔释放法研究激光快速成形薄板的二维残余应力分布。结果发现作用在成形件上的主要残余应力为平行于激光扫描方向的残余应力σ_y,以拉应力为主:而垂直激光扫描方向的残余应力σ_z作用相对较小。具体表现为: 对Ni20合金,在有限熔覆高度内,随着熔覆层的增加,σ_y开始由靠近基材处的压应力向拉应力转变,并且拉应力数值逐渐增大,表明随激光能量的不断输入,残余应力积累效应增大:σ_z基本表现为拉应力,数值相对较小,随着熔覆层的增加,拉应力数值逐渐减小,有改变为压应力的趋势。 对316L不锈钢合金,σ_y和σ_z在整个熔覆高度上以拉应力作用为主。开始熔覆阶段,由于残余应力的不断积累,σ_y在靠近基材一侧表现为较大的拉应力,当到达一定的熔覆高度后,随着熔覆层的进一步增加,σ_y开始有所回落,逐渐趋于稳定,保持较低的拉应力状态:σ_z数值在整个熔覆高度上相对较小,随着熔覆层的增加,拉应力数值逐渐减小,有改变为压应力的趋势。 在裂纹和残余应力分析的基础上,研究激光快速成形件的力学性能。对激光快速成形沉积态试样进行室温拉伸性能测试,结果显示在没有消除残余拉应力的情况下,Ni20和316L不锈钢激光快速成形件的强度与塑性已经接近甚至超过同类合金的传统锻压加工水平。


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