新型低能電磁沖擊技術(shù)調(diào)控TC11鈦合金α/β界面結(jié)構(gòu)及優(yōu)化抗沖擊性能的試驗(yàn)驗(yàn)證與機(jī)理闡釋——揭示電磁振蕩動應(yīng)力誘發(fā)晶界起皺界面橋接的物理本質(zhì)，為鈦合金無熱損傷微觀改性與韌性提升提供理論及試驗(yàn)支撐

TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V) 合金是一種高鋁當(dāng)量的近 α 鈦合金，其使用溫度高、比強(qiáng)度高、可焊性好和抗蠕變，常應(yīng)用于飛行器主承力構(gòu)件制造。與傳統(tǒng)加工方式相比，激光直接沉積工藝 (L-DED) 具有原材料利用率高、制造周期短、力學(xué)性能好等顯著優(yōu)勢。通過 L-DED 工藝制造大尺寸 TA15 構(gòu)件，已展現(xiàn)出巨大的潛力，獲得了研究人員的關(guān)注。

由于 TA15 導(dǎo)熱率較低，在 L-DED 工藝?yán)錈峥焖俳惶孀儞Q的條件下，將產(chǎn)生較大溫度梯度，構(gòu)件殘余應(yīng)力大、易發(fā)生變形，增加了制造的周期和成本。然而，L-DED 工藝制備的小尺寸試樣，通常難以反映 L-DED 大尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布和變形規(guī)律。因此，展開對 L-DED 制造大尺寸構(gòu)件的相關(guān)研究勢在必行。由于現(xiàn)有增材制造設(shè)備和工藝限制，在制造米級大尺寸構(gòu)件時(shí)通常需要采用多工序復(fù)合制造，例如，需要先將大尺寸結(jié)構(gòu)分成多個(gè)部分，通過激光直接沉積制造出各個(gè)部分，然后進(jìn)行去應(yīng)力退火，最后進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)大尺寸結(jié)構(gòu)制造。

有限元仿真是研究構(gòu)件加工過程中應(yīng)力與變形行為的重要方法，常用的仿真軟件有 ANSYS、Simufact 和 Abaqus 等。石齊民等研究了 TiC/Inconel718 復(fù)合材料的成形質(zhì)量，通過 ANSYS 軟件建立了成形過程的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)影響了成形件孔隙率。李波利用 Simufact.forming 對 GH3044 合金異形截面環(huán)坯的塑性成形過程進(jìn)行動態(tài)模擬仿真，分析軋制過程中環(huán)件的溫度場、應(yīng)變場和軋制力的分布情況及隨時(shí)間的變化規(guī)律，并對產(chǎn)品的工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化起到積極的指導(dǎo)作用。在進(jìn)行大尺寸構(gòu)件制造過程的仿真時(shí)，由于模型網(wǎng)格數(shù)量大、節(jié)點(diǎn)數(shù)多，導(dǎo)致求解過程的計(jì)算量較大。此外，多工序仿真時(shí)數(shù)據(jù)的有效傳輸、邊界條件的自由變換等因素，也是限制大尺寸構(gòu)件實(shí)際制造過程仿真的重要因素，因此，需要選擇合適的軟件。與其他軟件相比，Simufact 多步同時(shí)計(jì)算能力強(qiáng)，支持多工序連續(xù)求解，在進(jìn)行 L-DED 制造大尺寸構(gòu)件過程求解時(shí)具有顯著的優(yōu)勢。

因此，文章采用 Simufact 軟件對 TA15 鈦合金框梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造全流程仿真，分析不同工序?qū)Υ蟪叽鐦?gòu)件成形后殘余應(yīng)力和變形的影響規(guī)律，討論了誤差累積對多工序仿真的影響。文章研究為 TA15 鈦合金大尺寸構(gòu)件的全流程工藝優(yōu)化，提供了重要的實(shí)踐參考。

1、TA15 大尺寸構(gòu)件有限元模型的建立

1.1 增材制造及焊接熱源設(shè)置

Simufact Welding 具有高斯熱源和雙橢球熱源兩種內(nèi)置熱源模型，文章中激光直接沉積工藝和焊接工藝都使用的激光為高斯光源，因此采用高斯熱源模型。通過設(shè)置熱源的運(yùn)動軌跡，可以激活模型的對應(yīng)單元，從而模擬實(shí)際的激光加熱過程，具體熱源參數(shù)如表 1 所示。

此外，文章中激光直接沉積增材制造采用的激光功率為 3kW，掃描速度為 20mm/s，掃描間距為 2mm，層厚為 2mm。

1.2 增材制造及焊接的仿真模型

1.2.1 G-code 生成

文章采用 Slic3r 切片軟件生成模型的 G-code，對軟件的切片參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參考 TA15 激光直接沉積和焊接工藝參數(shù)，掃描間距設(shè)置為 5mm，層厚設(shè)置為 2mm，生成各個(gè)結(jié)構(gòu)的 G-code。需要注意的是，由于 Slicr3r 軟件生成的 G-code 語句并不能被 Simufact Welding 軟件完全讀取，需要對生成的 G-code 進(jìn)行處理，修改無法識別的語句。

1.2.2 模型的網(wǎng)格劃分

文章以大尺寸框梁為研究對象，將大尺寸框梁拆分成 A 和 B 兩個(gè)結(jié)構(gòu)。其中，結(jié)構(gòu) A 尺寸 925mm×840mm×42mm，結(jié)構(gòu) B 尺寸 300mm×690mm×42mm。為提高計(jì)算效率，對框梁模型進(jìn)行像素化網(wǎng)格處理，即通過相同尺寸的六面體有限元網(wǎng)格對框梁模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸 8mm×8mm×2mm。經(jīng)過網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu) A 模型中共有 96080 個(gè)像素單元和 77676 個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu) B 模型中共有 17524 個(gè)像素單元和 23072 個(gè)節(jié)點(diǎn)。此外，在框梁下方設(shè)置 50mm 厚的平板作為打印基板，設(shè)置基板為固定形狀。

1.3 去應(yīng)力退火熱處理工藝的仿真模型

文章參考國標(biāo)《鈦及鈦合金制件熱處理》GB/T 37584-2019 進(jìn)行激光直接沉積 TA15 鈦合金的去應(yīng)力退火熱處理，升溫速度為 10℃/min，保溫溫度為 650℃，保溫時(shí)間為 2h，最后通過爐冷進(jìn)行降溫。

2、仿真結(jié)果與分析

2.1 激光直接沉積

激光直接沉積結(jié)構(gòu) A 和結(jié)構(gòu) B 的殘余應(yīng)力及變形仿真結(jié)果，如圖 2 (a)、圖 2 (b) 所示。其中，結(jié)構(gòu) A 整體殘余應(yīng)力較小，集中于 300~700MPa，結(jié)構(gòu) B 整體殘余應(yīng)力較大，集中于 500~900MPa，這主要是由于結(jié)構(gòu) B 尺寸更大，打印時(shí)間更長，熱歷史更復(fù)雜。此外，結(jié)構(gòu) A 和結(jié)構(gòu) B 的底板殘余應(yīng)力大、頂部殘余應(yīng)力小，在肋板的邊緣，甚至存在低應(yīng)力區(qū)域。

激光直接沉積結(jié)構(gòu) A 和結(jié)構(gòu) B 的變形情況放大 5 倍后，如圖 2 (c)、圖 2 (d) 所示。由于在打印過程中，結(jié)構(gòu)的底部與基板冶金結(jié)合，幾乎不發(fā)生變形，因此，結(jié)構(gòu)變形主要為肋板側(cè)邊緣的向內(nèi)收縮。整體來說，激光直接沉積階段兩個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形較小，主要在 0~0.6mm。

通過截取結(jié)構(gòu) A 和結(jié)構(gòu) B 內(nèi)部 0mm、10mm、20mm、30mm 和 40mm 五個(gè)位置的殘余應(yīng)力分布，如圖 3 所示。由圖 3 可知，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部也表現(xiàn)出底部殘余應(yīng)力低、頂部殘余應(yīng)力高的分布規(guī)律，兩個(gè)結(jié)構(gòu)焊接區(qū)域的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)中間區(qū)域的。

2.2 去應(yīng)力退火熱處理

結(jié)構(gòu) A 和結(jié)構(gòu) B 去應(yīng)力熱處理仿真結(jié)果，如圖 4 所示。與圖 3 相比，結(jié)構(gòu) A 和結(jié)構(gòu) B 的殘余應(yīng)力從 500~900MPa (主要集中于 800MPa) 降低至 100~700MPa (主要集中于 300MPa)。此時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生了少量變形，結(jié)構(gòu) A 變形主要集中于兩端，結(jié)構(gòu) B 為四周變形量大、中心變形量小。

2.3 大尺寸框梁的焊接

焊接前后結(jié)構(gòu)整體的殘余應(yīng)力分布，如圖 5 (a)、圖 5 (b) 所示。由仿真結(jié)果可知，經(jīng)過焊接結(jié)構(gòu)整體的殘余應(yīng)力發(fā)生了少量的降低，殘余應(yīng)力分布主要集中于 300~500MPa，減小為 200~400MPa，結(jié)構(gòu)邊緣的殘余應(yīng)力獲得了少量的釋放。如圖 6 (a) 和圖 6 (b) 所示，經(jīng)過焊接，焊縫熱影響區(qū)位置的殘余應(yīng)力顯著降低，但其集中趨勢并沒有發(fā)生改變。

3、結(jié)論

綜上所述，L-DED 成形的結(jié)構(gòu) A、B 均呈底板殘余應(yīng)力高、頂部低的分布特征，肋板邊緣存在低應(yīng)力區(qū)；退火熱處理后兩結(jié)構(gòu)均輕微變形，結(jié)構(gòu) A 變形集中于兩端，結(jié)構(gòu) B 則四周變形大、中心小；焊接過程中結(jié)構(gòu)整體殘余應(yīng)力無明顯變化，焊縫熱影響區(qū)殘余應(yīng)力顯著降低。

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（注，原文標(biāo)題：大尺寸TA15構(gòu)件激光直接沉積制造全流程仿真研究_汪鑫）