本技术涉及金属3D打印领域,提出了一种试样设计方法。该方法包括:步骤S1,基于3D打印目标部件的形状和尺寸,确定自由设计区域的形状和尺寸,标记为形状。
背景技术
残余应力在金属增材制造过程中产生,过大的残余应力会导致基板和构件的变形开裂,在基板移除、热处理等加工过程中引发构件的进一步变形,并最终在构件使役过程中与工作载荷相叠加,共同影响构件的使役寿命。提高增材制造产品的质量,既需要降低构件内部残余应力水平的方案,也需要获取构件内部残余应力大小和分布情况的手段。
在降低残余应力水平方面,行业内广泛采取的办法是优化工艺参数、预热基板、基板设计等。优化工艺参数主要包括以下三方面:第一,调整激光功率、扫描速度和路径规划,降低热输入,从而减少温度梯度;第二,使用较厚的粉末层,改善热传导、增强热均匀性、减少热梯度,从而降低冷却时产生的应力;第三,调整扫描策略,采用交叉扫描、顺序扫描或自适应扫描路径,使热量均匀分布,以减少应力集中。基板预热是为了通过降低温差,减少热应力的累积。基板设计指的是优化基板的结构以减小基板对构件的约束,或者使用弹性或柔性基板在冷却过程中吸收一部分应力,从而实现构件残余应力水平的降低。但上述方法仍有一定局限性,比如:采用降低激光功率的方法,会降低生产效率、延长制造时间;采用增大粉末层厚度的方法,会增加构件表面的粗糙度,也可能会导致金属粉末熔化不充分,从而增加孔隙率;而采用基板预热的方法,对一些低热膨胀系数的材料效果有限,对于需要在低温环境下工作的构件,这种方法还可能会改变材料的微观结构,影响最终性能。
在构件残余应力测量方面,通常采用中子衍射法、X射线衍射法、钻孔法、超声法等手段,这些方法可以较为准确地获得残余应力在零部件上的大小和分布情况,为研发和生产环节中检验或工艺优化提供了重要参考。但在实际操作中,增材制造的金属试样通常需要打印在基板上,将打印完成的试样从基板上取下会导致试样内部残余应力的重新分配,因此从基板取下后的试样残余应力分布与取下前相比有较大差别。而携带基板一同进行残余应力测量,往往会因为基板尺寸过大或重量过重而无法放入检测设备中。
为了解决取下基板会影响试样残余应力分布的问题,行业内目前广泛采取的解决方法是:在打印试样前,先在基板上预先打印一个具有一定厚度的平台,然后通过热处理对这一预打印的平台进行应力消除,然后将试样打印在这一平台上,最后将试样连同平台一起从基板上移除并进行残余应力测量。该方法保证了试样在取下前后残余应力变化较小,但是对于高温合金等通过热处理无法消除残余应力的合金而言,无法实现对预打印平台的残余应力消除,因此该方法具有一定的材料局限性。
本发明以此为背景,为了解决构件内残余应力水平难以降低的问题,以及试样从基板上取下后不可避免的残余应力重新分配的问题,提出了一套新型的增材制造试样设计方法。
实现思路