文摘

摘要AISI 316 l不锈钢的部分是通过激光金属沉积添加剂制造方法。的微观结构是由一个光学显微镜观察和分析。的拉伸力学性能和残余应力分布测试部分通过拉伸试验和轮廓的方法。结果表明,大部分结构主要是柱状晶和等轴晶,而后者层激光金属沉积将形成一个再次熔化区和热影响区在前沉积区。拉伸试验结果表明,拉伸试样的抗拉强度与激光扫描方向平行和垂直于激光扫描方向基本上是相同的,但伸长的标本垂直于激光扫描方向相对更好。主要原因是不同分布特征的柱状晶和等轴晶体的两个方向。相对较大的变形发生在低速后试样的切割面线。残余应力测试结果表明,在上部形成拉应力达到315 MPa顶部表面。和压应力形成的一部分/基体界面和衬底。

1。介绍

316 l不锈钢称为材料具有优良的耐蚀性;它用于各种应用程序的石化(石油和天然气)和化学工业和生物材料。加法制造(AM),作为一个新兴的制造技术,已广泛应用于航空航天(1,2)、医疗(3,4)、施工(5),和其他领域。与技术,计算机辅助设计(CAD)模型可以直接转换成3 d对象,一层一层地建造,在相对较短时间和较低的成本,避免了传统制备方法的长流程(6]。

加法制造过程由一群现代制造技术用于生产从CAD三维原型表征(7,8]。例如,选择性激光熔化(SLM)和激光金属沉积(LMD)技术经常用于不锈钢组件生产和再生(9,10]。相比之下,SLM, LMD形成大小并不局限;在理想情况下,大小可以非常大的一部分。此外,LMD加工效率相对较高;LMD有很大的优势在很大程度上尺寸不准确的精度要求。LMD过程属于激光熔覆方法的分类(11]。近年来,有越来越多的兴趣LMD的过程。马等人获得一个格式良好的加法制造部分使用一个基于变更的光栅扫描方法可以提高制造精度(12]。香等人发现的元素LMD样本比铸造技术样品均匀分布(13]。王等人发现标本垂直于构建方向伸长低于标本建立平行方向(14]。然而,组织分布和拉伸性能之间的关系很少讨论。

此外,由于复杂的热效果在加法制造过程中,部分的残余应力分布是复杂的。部分的残余应力可能超过合金的屈服强度,影响耐腐蚀、断裂韧性、疲劳裂纹扩展行为和性能(15,16]。穆克吉等人研究了残余应力通过有限元方法和预测部分变形后加法制造(17]。卓等人进行了热处理,消除残余应力和残余应力的测量通过x射线衍射(18]。Bartlett等人提出了一种新的方法,3 d-dic curvature-RS模型,测量的残余应力由加法制造的一部分,和所有测量的误差只有∼6%点(19]。Szost等人研究了薄壁结构的残余应力分布使用中子衍射方法由激光加法制造和组装线+弧加法制造(WAAM);结果表明,较高的残余应力形成WAAM样本(20.]。在2001年,总理首次提出轮廓的方法来测试组件的残余应力。主要结合有限元法和释放技术提出的原始概念轮廓检测方法,指出该方法可以完全获得截面上的应力分布(21]。首相等人研究了轮廓检测方法,该方法的测试误差大约是25 MPa,可以满足测试要求的工程和科学研究。然而,很少有学者使用轮廓方法测量残余应力的部分由加法制造制造。

摘要AISI 316 l不锈钢的部分被LMD捏造。微观结构和拉伸性能平行和垂直于激光扫描方向观察和测试。断裂模式进行了分析和残余应力分布的组件是由轮廓测量的方法。

2。材料和方法

符合美国钢铁协会的316 l合金粉末通过气体喷雾是用于这项研究。粉末的形貌图所示1,化学成分列在表中1。粉直径介于45μ米和75μm和有一个很好的球形度,使光滑粉喂养流。底物是一个符合美国钢铁协会的1045中碳钢板组成表中列出2。LMD实验是由使用大功率光纤激光加工系统组成的高功率光纤激光器(yl - 6000 s2t), ABB机器人手臂和同轴聚焦粉饲喂系统(DPSF-2)。激光调制到一个 广场的位置。沉积以固定2千瓦的激光功率,实现了一个重叠率达到30%,激光扫描速度为4 mm / s,和粉喂养率8.8克/分钟。LMD加法制造过程的原理图绘制在图2。激光头与衬底之间的距离是13毫米。这个距离符合粉收集的重点,确保粉融化在同一时间。第一层完成时,提出的激光头是0.8毫米的 - - - - - -轴方向,同意每一层的高度的合金。完成后的合金作为新衬底的新合金。

LMD构建完成后,存款的微观结构在不同的位置进行机械研磨/抛光和腐蚀后用王水试剂。一个光学显微镜(OM)被用来观察微观结构。众所周知,一个添加剂制造组件表现出各向异性力学性能;因此,在这项研究中,进行了拉伸测试采集的标本沿纵向和横向方向。图3(一个)说明了拉伸的位置,采集标本,和图3 (b)显示的尺寸样品按照ISO 6892 - 1:2009标准。进行了拉伸测试在室温下拉伸2毫米/分钟的速度。每个测试重复了3次,平均极限抗拉强度(ut)和伸长(EL)之后获得的。最后,断裂表面扫描电子显微镜(SEM)观察到。

LMD的纵向残余应力分布是分析采用等高线法(22,23]。最初,LMD块切成两部分沿着方向垂直于激光扫描方向使用缓慢电火花线切割过程如图4。这个概要文件的切削表面然后变形是由于残余应力的释放。然后,两个变形表面的概要文件是由高精度三轴坐标测量机(CMM)和测量精度是2μm。后天从两个相反的表面轮廓点云随后由平均处理和二元样条拟合来生成表面光滑,消除测量误差。代表的变形切削表面图所示5。最后,测量轮廓作为有限元模型的边界条件。弹性状态是用于分析变形切削表面的应力状态回到之前飞机状态后削减(或改变切削表面的平面状态变形轮廓相反的方向)。假设没有发生塑性变形,获得应力对切削表面在同一位置相当于原来的压力在切割之前。

3所示。结果与讨论

3.1。微观结构

图6显示了微观结构的截面垂直于激光扫描方向。图6(一)表明LMD部分的微观结构由一层沉积区、冶炼区,热影响区由于后者沉积过程中激光热量输入。数据6 (b)和6 (c)表明重熔型区域增长的微观结构的热影响区前层。组织发展的方向取决于热影响区结构的方向。中心区域的冶炼区,微观结构的方向增长不再是相同的。这是由于这一事实再次熔化部分未消散的谷物,成为成核,导致不均匀的微观结构的发展方向。此外,它可以看出后者的微观结构层沉积,上部是等轴晶体,下部是细柱状树突。区域(图6 (d)),这个区域的组织发展方向是一致的,和发展方向是沿着方向最大温度梯度。可以看出,组织相对粗和柱状树突形成。

图7显示了微观结构的截面平行于激光扫描方向。后者淀积层区、冶炼区和热影响区也观察到在LMD的部分。在这个方向上可以看出,组织主要由柱状树突。柱状树枝晶的生长方向不统一。这是由于LMD的制造过程的复杂的热过程,导致微观结构改变的温度梯度方向大大增长,期间造成的柱状晶体的生长方向不一致时,终于完成了一部分。从最初的冷却速率很低,异相成核开始不熔化的晶体颗粒,和相对粗糙的柱状晶体形成,然后,冷却速率增加,柱状晶体开始生长在一个方向温度梯度大的基础上粗糙的柱状晶体。我们可以看到在图7 (b)冶炼,微观结构的方向增长部分是混乱,和一些柱状晶体生长在热影响区和冶炼区。图7 (c)表明有柱状晶体在重熔过程。新的谷物生长的不熔化的短柱状晶体。图7 (d)表明,热影响区主要是粗柱状树突和树突的生长方向基本上是相同的。

3.2。拉伸性能

图8显示了拉伸试验后样品的照片。图8(一)是一个标本垂直于激光扫描方向,和图8(b)是一个标本平行于激光扫描方向。图8显示没有“缩颈”现象在拉伸试验过程中发生断裂的位置。因为当地的颈部的压力很大,柱头通常是与产量密切相关,一种塑性变形与塑性材料。颈部最终变成了一个断裂,当足够的应变。它表明,316 l的延性LMD捏造部分在这项研究不是很好。图9拉伸试样获得的力-位移曲线是两个方向,也可以看到从图9发生了没有屈服,标本直接拉伸试验过程中破裂了。表3显示了两种标本的拉伸性能。表3表明两个方向的拉伸强度基本相同,大约800 MPa。然而,试样的伸长方向垂直于激光扫描标本的3.0%比平行于激光扫描方向。根据OM LMD部分(数据的结果6和7),大量的粗树突发现分布沿激光扫描方向平行的方向,这可能部分的机械性能下降。因此,标本的伸长方向平行于激光扫描仅为7.3%。相比之下,标本垂直于激光扫描方向显示更高的伸长。

图10显示了拉伸断口的SEM照片样品垂直于激光扫描方向。可以看出从宏观形态的断裂面A和B两个地区是不同的。有一个人字形图案区域a进一步放大的照片区域a和B所示的数据10 (b)- - - - - -10 (e)。可以看出,解理面可以清楚地看到在地区的断裂模式是解理断裂。断裂模式quasicleavage骨折在地区B,因为细微观结构的存在区域B, quasicleavage方面不是晶体解理面,这是完全不同于地区。

图11显示了试样的拉伸断口的SEM照片平行于激光扫描方向。它非常不同比较样本的断裂形态垂直于激光扫描方向图10。拉伸试样的断裂模式是解理断裂。的解理面可以很容易地看到数据11 (b)- - - - - -11 (e),C和D区域图的放大视图10 ()。这也是由于粗树突的形成在这个方向。结果同意与标本延伸率的差异在两个方向。

3.3。残余应力分布

图12显示了纵向残余应力的分布重建后,可以看到,沿厚度方向,顶部区域是拉应力,中部地区是压应力。界面附近的应力可以达到-375 MPa,和顶部地区的拉应力是最大的,最大的是320 MPa。因为加法制造将会伴随着重熔和这个区域的冷却速度是缓慢的,这个区域的收缩伸展的上一层金属,所以拉应力裂缝就会出现。通过加法制造的进展过程,拉应力将集中在中心区域。加法制造的进步,纵向残余应力逐渐随层数的增加,但由于后者的热影响层的上一层相当于热处理前一层,压力增加慢了下来。

图13显示了残余应力线分布在五个典型的路径(L1 L5图12)。从图可以看出(13日)的变异三个路径(L1, L2, L3)几乎是相同的,从顶部到接口;拉应力逐渐变成压应力;和最大拉应力达到315 MPa。激光金属沉积地区,路径L1和L3两边的部分更相似,和双方的地区是第一个从压应力、拉应力变化。这是因为两边的部分地区可以自由变形LMD过程中平行于扫描方向。LMD的过程中,随着变形的部分释放压力,双方的压力从压应力、拉应力变化,过渡带是克制的约束双方块部分。改变以拉应力降低的过程。图13 (b)表明,应力分布的变化沿路径L4和L5(接口)是完全相反的。右边的小突然改变L4和L5的振荡是由于铜线在低速线切割过程中,使资料不准确,与实际压力不发生变异。在同一位置 - - - - - -轴,当压应力路径L5是最大的,路径L4上的拉应力是最小的。沿着路径L4,两边的拉应力是最大的,大约100 MPa,并逐步减少对中间,中间部分是压应力。两边的压应力路径的L5是最小的,大约-180 MPa,压应力在中部地区是最大的,可以达到-375 MPa。

4所示。结论

的微观结构,结果表明LMD 316 l部分主要由柱状晶和等轴晶组成。显微组织分布垂直与平行于激光扫描方向不同,导致不同的两个方向的拉伸性能。样品垂直于激光扫描方向伸长的标本是在平行方向上高出3%,和两个方向的拉伸强度几乎相同。轮廓应力测量结果表明,拉伸应力是观察到上面,然后逐渐变化的底部压应力LMD的部分。最大拉应力和压应力是320 MPa和-375 MPa,分别。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢提供的金融支持中国国家重点研究和发展计划(批准号2018 yfc0310400),中国国家自然科学基金(批准号51911530211),江苏省自然科学基金(批准号BK20191458),和2018年皇家学会国际交流成本份额(中国)计划(批准号IEC \国家自然科学基金委\ 181278)。作者还感谢刘博士的帮助栓LMD部分的残余应力的测量。