基于激光沖擊復(fù)合增材制造工藝殘余應(yīng)力的熱和機(jī)械消除模型

來(lái)源： 納米技術(shù)與精密工程

金屬的增材制造（AM）經(jīng)常導(dǎo)致具有不利機(jī)械性能的部件。激光沖擊（LP）是一種高應(yīng)變率機(jī)械表面處理，可錘擊工件并產(chǎn)生有利的機(jī)械性能。沖擊應(yīng)變使表面硬化并賦予壓縮殘余應(yīng)力，從而改善材料的機(jī)械性能。本文中來(lái)自股神巴菲特(Warren Buffett)的母校內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)（USA）機(jī)械和材料工程學(xué)院的G. Madireddy博士研究了LP在使用有限元分析的3D打印金屬的逐層處理中的作用。

目的是了解由循環(huán)耦合印刷和噴丸引起的熱和機(jī)械消除后的時(shí)間和空間殘余應(yīng)力發(fā)展。結(jié)果表明，層沖擊頻率是影響殘余應(yīng)力重新分布的關(guān)鍵工藝參數(shù)，并且與印刷過(guò)程產(chǎn)生的熱量高度相互依賴。發(fā)現(xiàn)存在有利地增強(qiáng)機(jī)械性能的最佳混合工藝條件。通過(guò)這項(xiàng)研究，hybrid-AM迎來(lái)了AM的下一個(gè)發(fā)展步驟，并有可能徹底改變高價(jià)值金屬制品的生產(chǎn)方式。

激光沖擊強(qiáng)化(Laser Peening , LP)技術(shù)，也稱激光噴丸技術(shù)。是采用高功率密度(GW/cm量級(jí))、短脈沖(10～30ns量級(jí))的激光通過(guò)透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時(shí)，涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時(shí)形成大量稠密的高溫(>10 K)、高壓(>1GPa)等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過(guò)材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生垂直于材料表面的壓應(yīng)力。

激光作用結(jié)束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，其力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力會(huì)降低交變載荷中的拉應(yīng)力水平，使平均應(yīng)力水平下降，從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時(shí)殘余壓應(yīng)力的存在，可引起裂紋的閉合效應(yīng)，從而有效降低疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，延長(zhǎng)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。