全二维面探残余应力分析仪在激光沉积领域全新应用进展

发布日期：2022-09-09

直接激光沉积技术（DLD）作为一种高可靠性制造方法，是公认的有效金属增材手段之一。DLD是紧急维修和外层空间操作等复杂工况条件下的一种常见加工工艺。尤其近些年，DLD在高价值零件、复杂零件和多材料复合零件的修复和制造行业中变得越来越重要，已被广泛应用于精密制造领域，但其工艺参数（如激光功率、扫描图形等）容易导致尺寸精度和结构特性的变化。目前已经提出了许多方法来分析变形和残余应力产生的原理，但仍然很难评估在快速熔化和凝固过程中温度和应力的影响。近期，东北大学、中国科学院金属研究所和中车青岛四方机车车辆股份有限公司的科研人员基于多层DLD中的热-力学关系，建立了三维有限元模型，并将连续激光沉积（CLD）和脉冲激光沉积（PLD）的温度和残余应力差异与数值模型进行了比较^[1]。研究表明：

1.从所提出的仿真模型中得到的温度结果与从热电偶收集到的实验数据（三个测量位置的结果误差在10%以内，而实验开始和结束处的误差高达20%）显示出合理的一致性；

2.在每个沉积层的末端，温度场显示（注：指CPLD和IPLD）PLD工艺比CLD工艺冷却更快。这表明脉冲间隔减少了沉积层中的热量积累；

3.所采用的IPLD工艺显示出更均匀的残余应力分布，这归因于温度场和热应力的变化较小；

4.随着沉积层数的增加，三种工艺（注：指的是CLD，CPLD，IPLD）的高温逐渐升高；其中，CLD工艺温度增长尤其快。由于热传导，每层中间区域的温度高于两侧。在沉积开始时，IPLD工艺的冷却速率快，但三种工艺的冷却速度值随沉积工艺逐渐降低。

文章所报道的结果将会有助于为DLD工艺中的受控热积累和应力集中分析提供参考。IPLD工艺适用于受变形影响较大的薄壁零件，对于较大的零件，仍需考虑沉积工艺的效率。

DLD技术原理示意图

残余应力的仿真和实验结果对比数据

不同工艺的温场和残余应力场的分布对比图  (a)CLD (b)CPLD (c)IPLD

文章中所用到的残余应力检测设备为日本Pulstec公司推出的型号为μ-X360s的X射线残余应力分析仪。日本Pulstec公司推出的基于圆形全二维面探测器技术的μ-X360系列的X射线残余应力分析仪设备具有技术先进、测试精度高、体积迷你、重量轻、便携性高等特点，不仅可以在实验室使用，还可以方便携带至非实验室条件下的各种车间现场或户外进行原位的残余应力测量。我们期待该设备能助力更多的国内外用户做出优秀的科研工作！

参考文献：

[1]. Ma, L.; Kong, X.; Liang, J.; Li, J.; Sun, C.; Jin, Z.; Jiao, Z. Thermal and Mechanical Variation Analysis on Multi-Layer Thin Wall during Continuous Laser Deposition, Continuous Pulsed Laser Deposition, and Interval Pulsed Laser Deposition. Materials 2022, 15, 5157. https://doi.org/10.3390/ma15155157