Page 97 - 机械工程材料2024年第十一期

2024 年 11 月 第 48 卷 第 11 期 Vol. 48 No. 11 Nov. 2024

DOI：10. 11973/jxgccl240201

成形试样形状和尺寸对激光选区熔化成形钛合金

残余应力的影响

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张 杰 1, 2, 3 ，刘 川 ，胡全栋 1, 2, 3 ，刘 琦 1, 2, 3 ，李怀学 1, 2, 3 ，徐建成 1, 2, 3
（1. 中国航空制造技术研究院，北京 100024；2. 高能束流增材制造技术与装备北京市重点实验室，

北京 100024；3. 增材制造航空科技重点实验室， 北京 100024;
4. 佛山大学机电工程与自动化学院， 佛山 528225）
摘 要： 以TC4钛合金粉末为原料，采用激光选区熔化（SLM）方法直接成形直径16 mm的柱状试
样，平行段直径7 mm、夹持段直径16 mm的疲劳试样以及厚度分别为10，22 mm的板状试样等4种
形状与尺寸的试样，采用轮廓法测试了试样的z向（成形方向）残余应力，分析了试样形状和尺寸对
残余应力的影响。结果表明：SLM成形试样内部残余应力为压应力，表层为拉应力，残余压应力分
布形状与试样切割截面形状类似，分别呈近圆形和近矩形；与22 mm厚板状试样相比，10 mm厚板
状试样厚度方向中心线上的内部压应力分布跨度及幅值低，宽度方向中心线上的内部压应力分布跨
度不变，压应力峰值降低近1/2。SLM成形试样的内部压应力分布和幅值受试样形状和尺寸的影响
较大，归因于不同形状和尺寸试样成形时的拘束度不同。
关键词： 增材制造；激光选区熔化；残余应力；钛合金；试样形状和尺寸
中图分类号：TH164 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2024）11-0089-06

0 引 言 目前，增材制造试样中应力分布特征的研究多集
中在采用X射线衍射法测试块状试样表面一条线上
激光选区熔化（SLM）是一种重要的金属增材 ［5］
的应力分布 ，或采用中子衍射法获得柱状试样一条
制造技术，该方法以激光为热源，选择性地使金属
［6］
直径线上的内部应力分布 等方面，少有对某一平面
粉末快速熔化后凝固，并逐层堆积形成需要的零
［7］
应力二维分布进行研究的报道。轮廓法 是一种经
件。金属的快速熔化和凝固会造成零件内部显著
济高效、测试精度和空间分辨率均很高的破坏性残余
的残余应力累积，导致成形零件出现大变形或开裂
应力测试方法，可获得可视化的构件截面残余应力二
问题 ［1-2］ ，从而降低零件的承载能力，影响其服役性
维分布。该测试方法主要包括工件切割、轮廓测量、
能 ［3-4］ 。增材制造过程中残余应力的产生受工艺参
数据处理和有限元建模计算4个步骤：将构件切割成
数、支撑板的使用、成形件尺寸和形状等因素的影 两半释放内部残余应力，测量切割面轮廓获得因应力
［5］
响 。在相同的材料和增材制造工艺条件下，直接
释放而导致的切割面变形数据，以变形数据为边界条
成形的不同尺寸和形状试样的残余应力分布和幅值
件，采用有限元法构造切割面上的应力分布 ［8-11］ ，得到
［6］
不同 ，这使得基于不同尺寸和形状的试样获得的
切割前该平面的原始应力分布。轮廓法测试残余应
力学性能结果也不同，从而影响对成形件的性能评
力的准确性已得到X射线衍射 ［12］ 、中子衍射 ［13］ 、同步
价和预测。
辐射X射线衍射 ［14］ 等测试方法和数值计算 ［15］ 的验证。
作者以TC4钛合金粉末为原料，采用SLM直接
收稿日期：2024-04-17；修订日期：2024-07-08
成形4种形状和尺寸的试样， 基于轮廓法获得了试样
基金项目：国防基础科研计划项目（JCKY2019205A002） ；航空科学基金

内部残余应力分布，研究了试样形状和尺寸对残余
资助项目（2019ZE025001） ；广东省基础与应用基础研究基金
（区域联合基金-地区培育项目）资助项目（2022A1515140028， 应力的影响。研究成果可为SLM成形TC4钛合金
2022A1515140068，2023A1515140190） ；广东省基础与应用基 构件的残余应力分析提供指导。
础研究基金（青年提升项目）资助项目（2024A1515030147） 1 试样制备与试验方法
作者简介： 张杰（1981—），男，河北唐山人，高级工程师，博士
通信作者：刘川教授 试验原料为粒径约30 μm的TC4钛合金粉末，
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