Page 99 - 机械工程材料2024年第十一期
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张 杰，等：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
0.5 mm×0.5 mm。柱状试样模型包含40 680个单元 面直径线的分布曲线形状基本一致，直径较大的柱
和43 183个节点，疲劳试样模型包含35 820个单元 状试样的压应力峰值（690 MPa）大于直径较小的疲
和38 388个节点；10 mm和22 mm厚板状试样模型 劳试样（493 MPa），这与文献［6］采用中子衍射法测
的单元数分别为25 650个和45 150个，节点数分别 试SLM成形不同直径柱状试样的结果一致。
为29 120和49 984个。材料的弹性模量和泊松比分 1 800 柱状试样
［16］ ［17］ 1 500 疲劳试样
别为105 GPa 和0.34 。 1 200
2 试验结果与讨论 900
600
2.1 柱状试样和疲劳试样的z向残余应力分布 z向残余应力/MPa 300 0 中心线
由图4可以看出，柱状试样和疲劳试样的内部z -300
-600
-900
向残余应力均为压应力，其分布形状基本呈圆形，与 -1 200
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
试样截面形状一致，表层z向残余应力为拉应力。这 距离/mm
种内部为压应力表层为拉应力的分布特征与文献［6］ 图 5 柱状试样和疲劳试样切割面直径线上的 z 向残余应力分布曲线
的研究结果一致。在SLM增材制造过程中，试样边 Fig. 5 Distribution curves of z-directional residual stress along
diameter line on cutting surface of columnar and fatigue specimens
缘材料的散热快，收缩大，故试样内部会因受到边缘
材料的压缩而形成压应力，表层则产生拉应力与之 2.2 板状试样的z向残余应力分布
平衡。由图4还可以看出，试样切出端出现了高达 由图6可以看出：两种板状试样的内部z向残余
2 000 MPa的拉应力，远远超过TC4钛合金的屈服 应力均为压应力，表层则均为拉应力，内部压应力分
强度（1 094 MPa）和抗拉强度（1 267 MPa） ［16］ ，这是 布形状与其切割面形状相似，呈近矩形，与文献［17］
由于轮廓法测试存在较大边缘误差。线切割时，切 采用轮廓法和数值模拟方法得到的SLM成形块状
出端的材料迅速减少，影响切割参数的稳定性，后续 试样的应力分布一致；22 mm厚板状试样的压应力
表面轮廓测定时表层会产生较大位移误差 ［7，18-19］ ，从 峰值达400 MPa左右，10 mm厚板状试样压应力峰
而得到较高的表层应力值。 值略低，为200 MPa左右； 两种板状试样的边缘部分
均出现较大幅值的拉应力，这是轮廓法的边缘测试
误差造成的。22 mm厚试样切割初期出现了断丝现
象，造成切入端约15 mm区域的变形数据失真，因
此在数据处理和构建应力分布时舍弃了这部分数据
（图6中虚线框出区域），最终测试结果仍能反映内部
应力分布。
图 6 不同厚度板状试样切割面上的 z 向残余应力分布
Fig. 6 Distribution of z-directional residual stress on cutting surface
of plate specimens with 10 mm thickness (a) and 22 mm thickness (b)
图 4 柱状试样和疲劳试样切割面上的 z 向残余应力分布
Fig. 4 Distribution of z-directional residual stress on cutting surface 提取板状试样切割面中心线上的残余应力。由
of columnar (a) and fatigue (b) specimens 图7（a） 可以看出：两种板状试样y方向（厚度方向）
将柱状试样和疲劳试样切割面直径线上的应力 中心线上的残余应力分布基本一致，表层均为拉应
提取出来。由图5可见， 两种试样的残余应力沿切割 力，内部均为压应力；22 mm厚和10 mm厚板状试
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