LLNL研究人员开发出测量 3D 打印金属零件残余应力的方法

来源： 江苏激光产业技术创新战略联盟

导读：来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员开发了一种有效的方法来测量粉末床熔融增材制造生产的金属零件的残余应力。

增材制造 (AM) 是指能够从前体材料生产三维结构的一系列逐层构建方法。虽然这项研究的重点是基于金属的粉末床融合AM，增材制造方法已在金属、聚合物和陶瓷中得到应用，因为它们能够使用单一自动化过程制造复杂的净形零件，且废料很少。尽管 AM 技术已有二十多年的发展，但大规模采用 AM 方法仍面临重大挑战。实现快速加工时间、全密度、相对无应力的结构以及良好的微观结构和机械完整性之间的固有权衡已经产生了对工艺优化的需求。

在粉末床熔融 AM 中，通过受控激光分布并选择性熔化非常薄的粉末层；重复此过程，直到制造出完整的零件。必须选择粉末尺寸和包装、材料、激光设置（功率、光斑尺寸和速度）和扫描参数（图案、取向角和重叠），以便粉末层在局部完全熔化并粘合到基材上。然而，激光光斑附近的大热梯度的发展快速冷却以及该过程的重复会引起局部压缩和拉伸，从而导致 AM 部件具有显著的残余应力。构建过程中存在的热梯度受许多工艺参数（零件尺寸、构建时间、构建板/粉末床温度、气氛、粉末热特性、熔池尺寸等）的影响。除了对增材制造零件的机械性能和结构完整性的潜在影响外，加工过程中产生的残余应力可能会导致局部变形，从而导致净形损失、与支撑结构分离或增材制造零件失效。

虽然使用高能激光束来融合金属粉末颗粒能够生产出高质量的零部件，但残余应力是制造过程中的一个主要问题。这是因为最后一个熔点附近的温度变化很大——快速加热和冷却——并且这个过程的重复会导致局部膨胀和收缩，这些因素会导致残余应力。

除了对机械性能和结构完整性的潜在影响外，残余应力还可能在加工过程中引起变形，从而导致净形状损失、与支撑结构分离，并可能导致增材制造 (AM) 零件和组件的故障。

由工程师 Amanda Wu 领导的 LLNL 研究团队开发了一种精确的残余应力测量方法，该方法将传统的应力消除方法（破坏性分析）与现代技术相结合：数字图像相关 。该过程能够快速准确地测量 AM 零件中的表面级残余应力。

该研究中所有 AM 样品均使用 316L 不锈钢粉末（Concept Laser，CL-20）和 30μm 粉末层进行处理。L形矩形和四边形棱镜（图1）样品是使用 Concept Laser M2（50 μm，D4Sigma 高斯光束）来构建。

▲图1. 样品示意图和尺寸以及竣工的水平和垂直棱镜样品

基于激光的 AM 会产生不均匀的形态，有时会产生各向异性晶粒结构，通常具有一定程度的孔隙率。使用不同扫描策略在 400 W 下加工的 316L 不锈钢试样的微观结构如图2 所示。这里，黑点代表加工过程中形成的孔。熔池线非外延生长在图 2(c) 和 (f) 中很明显。

▲图2. (a) 到 (c) 5 × 5 mm 岛状试样和 (d) 到 (f) 连续扫描试样的横截面图像 (SEM)，描绘了以 400 W 和 1800 mm/s 处理的晶粒结构和孔隙率

“L” 形试样 DIC 和中子衍射测量

为了验证 DIC 的结果，该团队与洛斯阿拉莫斯国家实验室 (LANL) 合作，使用称为中子衍射 (ND) 的方法进行残余应力测试。该技术由 LANL 研究员 Donald Brown 执行，通过检测入射中子束的衍射来测量材料深处的残余应力。中子的衍射束能够检测由于应力引起的原子晶格间距的变化。

为了更好地了解粉末床熔融 AM 期间建立的面内残余应力分布，L 形试样（400 W，1800 mm/s，5 × 5 mm 岛状图案，与零件边缘成 45 度角）的中子衍射测量是 作为图3中位置的函数提供。在零件的顶面附近（图3(a) 到 (c)），存在显着的轴向残余应力。沿最大零件几何形状的平面内残余应力最大 - x 方向上的 σ xx 和 y 方向上的 σ yy。面内残余应力从高（图3（b））到较低和接近零（图3（e））拉伸值的演变转化为“剥离”（从顶面观察时向下弯曲） 在对这些部分进行水平切片时观察到。

▲图3. 通过中子衍射在距样品顶部 ((a) 到 (c)) 4 mm 和 ((d) 到 (f)) 15 mm 处测量的残余应力分量。

尽管它的准确度很高，但 ND 很少用于测量残余应力，因为美国只有三个联邦研究实验室——LANL 就是其中之一——拥有该分析所需的高能中子源。LLNL 团队的 DIC 结果得到了 ND 实验的验证，表明 DIC 是一种可靠的方法来测量粉末床融合 AM 部件中的残余应力。

他们的发现首次提供了定量数据，显示增材制造部件中的内部残余应力分布是激光功率和速度的函数。该团队证明，减少激光扫描矢量长度而不是使用连续激光扫描可以调节加工过程中的温度变化，以减少残余应力。此外，结果表明，相对于 AM 部件的最大尺寸旋转激光扫描矢量也有助于减少残余应力。该团队的结果证实了其他研究人员得出相同结论的定性数据。

通过使用 DIC，该团队能够产生可靠的定量数据，使 AM 研究人员能够优化校准工艺参数，以减少制造过程中的残余应力。可以调整激光设置（功率和速度）和扫描参数（图案、方向角和重叠）以生产更可靠的零件。此外，DIC 允许 Lawrence Livermore 团队评估激光功率和速度的耦合效应，并观察次表层加热对残余应力发展的潜在有益影响。

LLNL 的发现最终将用于帮助鉴定使用粉末床融合 AM 工艺制造的金属部件的特性。该团队的研究有助于建立 LLNL 设计的其他认证流程，以提高 3D 打印零件和组件的质量和性能。

▲Amanda Wu 使用数字图像相关性对增材制造的零件进行成像