0.   引言

激光選區熔化（SLM）是一種重要的金屬增材制造技術,該方法以激光為熱源,選擇性地使金屬粉末快速熔化后凝固,并逐層堆積形成需要的零件。金屬的快速熔化和凝固會造成零件內部顯著的殘余應力累積,導致成形零件出現大變形或開裂問題[1-2],從而降低零件的承載能力,影響其服役性能[3-4]。增材制造過程中殘余應力的產生受工藝參數、支撐板的使用、成形件尺寸和形狀等因素的影響[5]。在相同的材料和增材制造工藝條件下,直接成形的不同尺寸和形狀試樣的殘余應力分布和幅值不同[6],這使得基于不同尺寸和形狀的試樣獲得的力學性能結果也不同,從而影響對成形件的性能評價和預測。 

目前,增材制造試樣中應力分布特征的研究多集中在采用X射線衍射法測試塊狀試樣表面一條線上的應力分布[5],或采用中子衍射法獲得柱狀試樣一條直徑線上的內部應力分布[6]等方面,少有對某一平面應力二維分布進行研究的報道。輪廓法[7]是一種經濟高效、測試精度和空間分辨率均很高的破壞性殘余應力測試方法,可獲得可視化的構件截面殘余應力二維分布。該測試方法主要包括工件切割、輪廓測量、數據處理和有限元建模計算4個步驟：將構件切割成兩半釋放內部殘余應力,測量切割面輪廓獲得因應力釋放而導致的切割面變形數據,以變形數據為邊界條件,采用有限元法構造切割面上的應力分布[8-11],得到切割前該平面的原始應力分布。輪廓法測試殘余應力的準確性已得到X射線衍射[12]、中子衍射[13]、同步輻射X射線衍射[14]等測試方法和數值計算[15]的驗證。 

作者以TC4鈦合金粉末為原料,采用SLM直接成形4種形狀和尺寸的試樣,基于輪廓法獲得了試樣內部殘余應力分布,研究了試樣形狀和尺寸對殘余應力的影響。研究成果可為SLM成形TC4鈦合金構件的殘余應力分析提供指導。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗原料為粒徑約30 μm的TC4鈦合金粉末,由德國TLS3D打印金屬粉末制造公司提供。采用EOS-M280型商用SLM增材制造機通過選區激光熔化成形制備如圖1所示的4種試樣（z為成形方向）,工藝參數參考文獻[16]確定：激光光斑直徑為100 μm,激光功率為260~300 W,掃描速度為1 000~1 400 mm·s−1,掃描間距為0.14 mm,相鄰層間掃描路徑夾角為67°,相同層掃描時激光光斑搭接率為25%。 

圖  1  SLM直接成形試樣的形狀與尺寸

Figure  1.  Shape and size of specimens directly formed by SLM: (a) columnar specimen; (b) fatigue specimen; (c) 10 mm-thick plate specimen and (d) 22 mm-thick plate specimen

采用輪廓法測試應力：如圖2所示,將試樣夾持后,使用Seibu M50型慢走絲線切割機將其切割成兩半,切割絲為直徑0.25 mm的純銅絲,切割速度約為1.0 mm·min−1,切割過程在去離子水中進行,以減小切割造成的熱應力；采用蔡司PRISMO型三坐標測量儀測試切割面輪廓,掃描測試精度約為1.2 µm,輪廓數據經過剔除誤差點、插值平均和光滑擬合后,作為有限元模擬的邊界條件；按照切割后試樣的有效尺寸數據建立有限元模型（見圖3）,將光滑擬合的切割面變形數據作為位移邊界條件施加到有限元模型的相應切割面節點上,經過彈性有限元計算,即可獲得切割前切割面上的z向殘余應力分布。在建立有限元模型時,考慮到切割面變形量小（約20 μm）以及為了建模和加載位移方便,將疲勞試樣模型簡化為直徑7 mm的圓柱體。采用ANSYS軟件的Solid185六面體劃分單元,疲勞試樣切割面網格尺寸為0.15 mm×0.15 mm,柱狀試樣切割面網格尺寸為0.4 mm×0.4 mm,兩種板狀試樣切割面網格尺寸為0.5 mm×0.5 mm。柱狀試樣模型包含40 680個單元和43 183個節點,疲勞試樣模型包含35 820個單元和38 388個節點；10 mm和22 mm厚板狀試樣模型的單元數分別為25 650個和45 150個,節點數分別為29 120和49 984個。材料的彈性模量和泊松比分別為105 GPa[16]和0.34[17]。 

圖  2  不同試樣的夾持及切割方式

Figure  2.  Clamping and cutting methods of different specimens: (a) columnar specimen; (b) fatigue specimen and (c) plate specimen

圖  3  對半切割后4種試樣的有限元模型

Figure  3.  Finite element models of four kinds of specimens after cutting in half: (a) columnar specimen; (b) fatigue specimen; (c) 10 mm-thick plate specimen and (d) 22 mm-thick plate specimen

2.   試驗結果與討論

2.1   柱狀試樣和疲勞試樣的z向殘余應力分布

由圖4可以看出,柱狀試樣和疲勞試樣的內部z向殘余應力均為壓應力,其分布形狀基本呈圓形,與試樣截面形狀一致,表層z向殘余應力為拉應力。這種內部為壓應力表層為拉應力的分布特征與文獻[6]的研究結果一致。在SLM增材制造過程中,試樣邊緣材料的散熱快,收縮大,故試樣內部會因受到邊緣材料的壓縮而形成壓應力,表層則產生拉應力與之平衡。由圖4還可以看出,試樣切出端出現了高達2 000 MPa的拉應力,遠遠超過TC4鈦合金的屈服強度（1 094 MPa）和抗拉強度（1 267 MPa）[16],這是由于輪廓法測試存在較大邊緣誤差。線切割時,切出端的材料迅速減少,影響切割參數的穩定性,后續表面輪廓測定時表層會產生較大位移誤差[7,18-19],從而得到較高的表層應力值。 

圖  4  柱狀試樣和疲勞試樣切割面上的z向殘余應力分布

Figure  4.  Distribution of z-directional residual stress on cutting surface of columnar (a) and fatigue (b) specimens

將柱狀試樣和疲勞試樣切割面直徑線上的應力提取出來。由圖5可見,兩種試樣的殘余應力沿切割面直徑線的分布曲線形狀基本一致,直徑較大的柱狀試樣的壓應力峰值（690 MPa）大于直徑較小的疲勞試樣（493 MPa）,這與文獻[6]采用中子衍射法測試SLM成形不同直徑柱狀試樣的結果一致。 

圖  5  柱狀試樣和疲勞試樣切割面直徑線上的z向殘余應力分布曲線

Figure  5.  Distribution curves of z-directional residual stress along diameter line on cutting surface of columnar and fatigue specimens

2.2   板狀試樣的z向殘余應力分布

由圖6可以看出：兩種板狀試樣的內部z向殘余應力均為壓應力,表層則均為拉應力,內部壓應力分布形狀與其切割面形狀相似,呈近矩形,與文獻[17]采用輪廓法和數值模擬方法得到的SLM成形塊狀試樣的應力分布一致；22 mm厚板狀試樣的壓應力峰值達400 MPa左右,10 mm厚板狀試樣壓應力峰值略低,為200 MPa左右；兩種板狀試樣的邊緣部分均出現較大幅值的拉應力,這是輪廓法的邊緣測試誤差造成的。22 mm厚試樣切割初期出現了斷絲現象,造成切入端約15 mm區域的變形數據失真,因此在數據處理和構建應力分布時舍棄了這部分數據（圖6中虛線框出區域）,最終測試結果仍能反映內部應力分布。 

圖  6  不同厚度板狀試樣切割面上的z向殘余應力分布

Figure  6.  Distribution of z-directional residual stress on cutting surface of plate specimens with 10 mm thickness (a) and 22 mm thickness (b)

提取板狀試樣切割面中心線上的殘余應力。由圖7（a）可以看出：兩種板狀試樣y方向（厚度方向）中心線上的殘余應力分布基本一致,表層均為拉應力,內部均為壓應力；22 mm厚和10 mm厚板狀試樣內部壓應力的分布跨度分別為15.5 mm（約為厚度的70%）和9 mm（為厚度的90%）；10 mm厚板狀試樣的壓應力峰值（240 MPa）約為22 mm厚板狀試樣壓應力峰值（約440 MPa）的1/2?？梢?板狀試樣在厚度減薄后,y方向中心線上的壓應力分布跨度和峰值均降低。由圖7（b）可以看出,兩種板狀試樣在x方向(寬度方向）中心線上的殘余應力分布趨勢基本一致,壓應力分布跨度基本相同,10 mm厚板狀試樣的壓應力峰值（220 MPa左右）約為22 mm厚板狀試樣壓應力峰值（約420 MPa）的1/2,說明當SLM增材制造TC4鈦合金板狀試樣寬度變化不大時,其厚度大小對內部x方向中心線上的壓應力分布跨度沒有影響,僅造成壓應力幅值變化。 

圖  7  不同厚度板狀試樣切割面不同方向中心線上的z向殘余應力分布曲線

Figure  7.  Distribution curves of z-directional residual stress along different-directional centerline on cutting surface of plate specimens with different thicknesses: (a) y-direction and (b) x-direction

試樣內部殘余壓應力的分布形狀與其切割面形狀相似,這是試樣的自拘束狀態導致的。柱狀試樣各方向的自拘束度一致,形成了內部圓形壓應力分布形式；板狀試樣的寬度和厚度尺寸不同,各方向的拘束度不一致,造成內部壓應力和表層拉應力在這兩個方向上的分布跨度均不一致。兩種板狀試樣的寬度基本一致,因此x方向中心線上的壓應力分布跨度基本一致；厚度差距較大,較小厚度試樣y方向中心線上的壓應力分布跨度較小。此外,直徑較大柱狀試樣和厚度較大板狀試樣的拘束度大,因此內部壓應力峰值大。綜上可知,SLM直接成形試樣的內部壓應力分布及大小受試樣形狀及尺寸影響大,可歸因于成形不同形狀和尺寸試樣時的拘束度不同。 

3.   結論

（1）采用輪廓法測得SLM成形TC4鈦合金試樣的內部z向（成形方向）殘余應力均為壓應力,表層則為拉應力,內部壓應力分布形狀與切割面形狀相似,柱狀試樣呈近圓形,板狀試樣呈近矩形。 

（2）較大直徑（16 mm）柱狀試樣切割面上的壓應力幅值大于較小直徑（7 mm）疲勞試樣；與20 mm厚板狀試樣相比,10 mm厚板狀試樣的內部壓應力在厚度方向中心線上的分布跨度和幅值降低,在寬度方向中心線上的分布跨度基本不變,但壓應力峰值降低約1/2。內部壓應力分布形狀和幅值受試樣形狀和尺寸影響較大,可歸因為不同形狀和尺寸試樣在成形過程中的拘束度不同。

文章來源——材料與測試網