CN110907272A - 3d打印元件的寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了3D打印元件的寿命预测方法，其中，包括如下步骤：S1，基于韦布尔分布理论获得3D打印元件的晶粒尺寸d；S2，基于所述晶粒尺寸由以下函数获得低周疲劳寿命N_f：

其中，σ_t为拉伸强度，Δσ为应力幅，a_c为临界裂纹程度，δ为断裂韧性，k₀为应力集中系数，n为应力敏感系数，λ为裂纹长度。本发明提供的3D打印元件的寿命预测方法不需要设置额外的实验来验证元件的低周疲劳寿命，并且效率更高更加专业。并且本发明易于执行，并且没有额外费用。本发明能够确保3D打印元件的质量和安全性。

Description

3D打印元件的寿命预测方法

技术领域

本发明涉及增材制造，尤其涉及一种3D打印元件的寿命预测方法。

背景技术

增材制造技术已经应用了20年，然而只有在过去几年来才由于其在制造具有复杂设计最终使用产品及其高附加值的极大优势才得到了极大的关注。现在，增材制造的大部分成功案例都在于非关键任务的应用(non-mission-critical applications)，其中研究得较多的是金属合金的微观结构(microstructure)和无变化响应(monotonic response)。然而，为了让增材制造技术充分发挥潜力，特别在关键安全性元件(safety-criticalcomponents)的制造上，其中，上述关键安全性元件包括旋转部件(rotating parts)和关键断裂部件(fracture-critical parts)等。而增材制造元件的质量应当关系到蠕变测试和疲劳测试。

例如，增材制造的涡轮叶片(turbine blades)是增材制造应用的里程碑。在应用中，这样的涡轮叶片能够经受高压(high pressures)、极限温度(extreme temperatures)和地心引力(centrifugal forces)。涡轮叶片每分钟转速通常能够达到13000，这样的转速是波音737飞机飞行中叶片转速的两倍。同时，增材制造的涡轮叶片应用中会承受11吨重量以及1250摄氏度。

因此，增材制造的涡轮叶片在极限条件下的质量因素需要引起足够重视，例如耐久性(durability)、第周疲劳性能(low cycle fatigue performance)等因素。

在现有技术中，按照传统方法制造的涡轮叶片寿命预测已经得到了良好发展，其评估方法也非常成熟和系统。然而，由于严格操作条件下的增材制造元件最近才出现，增材制造的涡轮叶片寿命预测并未得到深入的研究。同时，传统技术和增材制造技术之间的预测方法论有极大不同，这是由于单独制造的基本形成机制(basic forming mechanisms)的不同。因此，传统技术的涡轮叶片寿命预测机制不能应用于增材制造技术。

发明内容

本发明提供了3D打印元件的寿命预测方法，其中，包括如下步骤：S1，基于韦布尔分布理论获得3D打印元件的晶粒尺寸d；S2，基于所述晶粒尺寸由以下函数获得低周疲劳寿命N_f：

其中，σ_t为拉伸强度，Δσ为应力幅，a_c为临界裂纹程度，δ为断裂韧性，k₀为应力集中系数，n为应力敏感系数，λ为裂纹长度。

进一步地，所述3D打印元件的材料为镍基高温合金。

进一步地，所述3D打印元件为燃气轮机叶片。

进一步地，所述韦布尔分布的概率密度为：

其中，x代为晶粒尺寸d的随机变量，λ为比例参数，k为形状参数，并且，λ＞0，k＞0。

本发明提供的3D打印元件的寿命预测方法不需要设置额外的实验来验证元件的低周疲劳寿命，并且效率更高更加专业。并且本发明易于执行，并且没有额外费用。本发明能够确保3D打印元件的质量和安全性。

附图说明

图1是选择性激光熔化设备的示意图；

图2是粘合剂喷射成形装置的结构示意图；

图3是本发明提供的3D打印元件的寿命预测方法的实验线条图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明的寿命预测方法适用于增材制造技术制造的镍基高温合金材料元件。其中，本文提及的增材制造技术即3D打印技术，包括但不限于选择性激光熔化(SelectedLaser Melting,SLM)工艺或粘合剂喷射成形(binder jetting)技术等。

其中，图1是选择性激光熔化设备的示意图。如图1所示，选择性激光熔化设备100包括一个激光源110、一个镜面扫描器120、一个棱镜130、一个送粉缸140、一成型缸150和一个回收缸160。其中，激光源110设置于选择性激光融化设备100上方，充当金属粉末的加热源，即融化金属粉末来进行3D打印。其中，送粉缸140下部有一个能够上下移动的第一活塞(未示出)，在送粉缸140的第一活塞上面的腔体空间放置了备用的金属粉末，并随着第一活塞的上下移动从送粉缸140将金属粉末送入成型缸150。在成型缸150中设置有一个3D打印件放置台154，放置台154上方夹持有一个3D打印件C，放置台154下方固定有一个第二活塞152,其中，第二活塞152和放置台154垂直设置。在3D打印过程中，第二活塞152自上而下移动，以在成型缸220中形成打印空间。激光扫描的激光源110应设置于选择性激光融化设备的成型缸150的上方，镜面扫描器120通过调整一个棱镜130的角度调整激光的位置，通过棱镜130的调节来决定激光融化哪个区域的金属粉末。送粉缸140还包括一个滚轮(未示出)，金属粉末P堆设于第一活塞的上表面，第一活塞垂直地自下而上移动传递金属粉末至送粉缸140上部。选择性激光熔化设备100还包括一滚轮，通过所述滚轮的滚动能够铺设所述3D打印用粉末于成型缸220。滚轮可在金属粉末P上滚动，以将金属粉末P送至成型缸150中。从而持续对金属粉末执行激光扫描，将金属粉末分解为粉末基体，继续对所述粉末基体进行激光扫描直至使所述粉末基体自下而上地烧结为预设形状的打印件C。此外，选择性激光熔化设备100还包括一个回收缸160，回收缸160用于回收成型缸150中的使用过的金属粉末。

其中，图2是本发明提供的粘合剂喷射成形装置的结构示意图。粘合剂喷射成型技术利用激光烧结技术，并使用粉末床。其中，喷墨打印头将粘合剂喷到3D打印用的材料(通常是粉末)中，使得粉末不仅自身粘合还和之前的粉末材料层渗透结合，并层层叠加构成原型件，然后通过高温烧结(sintering)将粘合剂去除并促进粉末颗粒相互之间的融合与连接，从而得到有理想密度与强度的3D打印件。粘合剂喷射成形技术适用于打印金属、陶瓷材料。如图1所示，所述粘合剂喷射成型装置200包括液体粘合剂供给装置210、送粉缸220、成型缸230、喷头240。其中，送粉缸220容纳打印粉末的空间下方设置有一个第一活塞222，随着第一活塞222自下而上的垂直运动能够将所述打印粉末向上整体抬起，然后上方的滚轮224通过其左右平面滚动将打印粉末送入成型缸230。成型缸230的粉末床234下方也设置有一个第二活塞232，在3D打印过程中，第二活塞232自上而下移动，以在成型缸230中形成打印空间。液体粘合剂供给装置210用于给喷头240供应液体粘合剂，喷头240将粘合剂喷到粉末床234的打印粉末中，使得粉末通过粘合剂粘结渗透在一起，并且自下而上层层叠加构成3D原型件。其中粘合剂喷射成型技术形成的原型件还未经烧结，相当于根据3D打印模型形成的胚体。

本发明提供了一种3D打印元件的寿命预测方法，其中，包括如下步骤：

首先执行步骤S1，基于韦布尔理论获得3D打印元件的晶粒尺寸d。这里的材料主要是柱状晶结构，因此，这里的晶粒尺寸主要是指柱状晶的晶粒尺寸。需要说明的是，本发明并不局限于柱状晶结构的材料。

具体地，韦布尔分布(Weibull Distribution)是可靠性分析和寿命检验的理论基础。其中，所述韦布尔分布的概率密度为：

其中，x代为晶粒尺寸d的随机变量，λ为比例参数(scale parameter)，k为形状参数(shape parameter)，并且，λ＞0，k＞0。韦布尔分布的累积分布函数是扩展的指数分布函数，并且，韦布尔分布与很多分布都有关系。例如，当k＝0，此时韦布尔分布是指数分布；k＝2时，是瑞利分布(Rayleigh distribution)。

然后执行步骤S2，基于所述晶粒尺寸由以下函数获得低周疲劳寿命N_f：

其中，σ_t为拉伸强度(tensile strength)，拉伸强度是由形成3D打印件的材料决定的。具体地，抗拉强度是金属由均匀形塑性变向局部集中塑性变形过渡的临界值，即金属在静拉伸条件下的最大承载能力。抗拉强度表示该材料最大均匀塑性变形的抗力，材料在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的，但超出该临界值以后，金属即出现缩颈现象，从而产生集中变形。对于均匀塑性变形较小或者几乎没有的脆性材料，拉伸强度反映了材料的断裂抗力。

其中，Δσ为应力幅。具体地，应力变程为应力循环中每一次的最大拉应力和最小拉应力或压应力之差，应力幅则为应力变程的一半。其中，拉应力取正值，压应力取负值。

其中，a_c为临界裂纹程度，以临界裂纹程度为分界线，材料表现为两种裂变情况，包括表面缺陷或者内部孔洞。

其中，δ为断裂韧性，断裂韧性是组件材料中有裂纹或类裂纹缺陷时，发生以断裂韧性为起点的不再随着载荷增加而快速断裂，也就是发生不稳定断裂时元件材料显示的阻抗值。断裂韧性值可用能量释放率、应力强度因子、裂纹尖端张开位移等描述裂纹尖端的力学状态的单一参量来表示。

其中，k₀为应力集中系数，其为产生应力集中时的最大应力除以平均应力得到的。具体地，应力集中指物体中应力局部增高的现象，一般出现在物体形状急剧变化的地方，例如缺口、孔洞、沟槽以及有刚性约束处。应力集中会导致物体产生疲劳裂纹，也会导致脆性材料制成的元件发生断裂。应力的最大值与元件的几何形状和加载方式等因素相关。局部增高的应力值随着与峰值应力点的间距的增加而迅速衰减。由于峰值应力往往超过屈服极限而导致应力的重新分配，所以，实际的峰值应力常低于按弹性力学计算得到的理论峰值应力。

其中，n为应力敏感系数，其是指多孔介质孔隙体积(孔隙度)、渗透率随有效应力变化的改变量。

其中，λ为裂纹长度，其可以由扫描电子显微镜测得。

综上所述，拉伸强度σ_t、应力幅Δσ、临界裂纹程度a_c、断裂韧性δ、应力集中系数k₀，应力敏感系数n皆为和3D打印元件材料相关的参数或者系数，也就是说只要能够得知3D打印元件的材料即可获得。而裂纹长度λ也可由扫描电子显微镜测得，并且晶粒尺寸d已经在步骤S1中由韦布尔理论获得，因此通过上述公式可以则可以获得3D打印元件的低周疲劳寿命N_f，达到对3D打印元件的寿命预测的目的。

其中，本发明尤其适合用于材料为镍基高温合金的3D打印元件。特别地，本发明尤其适用于材料为镍基高温合金的3D打印的燃气轮机叶片。

图3是本发明提供的3D打印元件的寿命预测方法的实验线条图。如图3所示，其横坐标为利用本发明提供的3D打印元件的寿命预测方法预测低周疲劳寿命N_f(cycles)，其纵坐标为实验所得的低周疲劳寿命N_f(cycles)。M₁、M₂和M₃是不同的3D打印元件，其中，M₁为第一打印元件，M₂为第二打印元件，M₃为第三打印元件。如图3所示，最理想的线条为S₃，其表示本发明方法所得到的3D打印元件低周疲劳寿命和实验所得的低周疲劳寿命完全一致，这是一种理想状态。线条S₁为本发明方法所得到的3D打印元件低周疲劳寿命和实验所得的低周疲劳寿命之比为0.8，线条S₂为本发明方法所得到的3D打印元件低周疲劳寿命和实验所得的低周疲劳寿命之比为0.8，可知，第一打印元件M₁、第二打印元件M₂、第三打印元件M₃均落在线条S1和S2之间。因此，执行本发明方法预测的低周疲劳寿命和实际的低周疲劳寿命的之比为0.8～1.2，表示了非常高的准确度。

本发明提供的3D打印元件的寿命预测方法不需要设置额外的实验来验证元件的低周疲劳寿命，并且效率更高更加专业。并且本发明易于执行，并且没有额外费用。本发明能够确保3D打印元件的质量和安全性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (4)

1.3D打印元件的寿命预测方法，其中，包括如下步骤：

S1，基于韦布尔分布理论获得3D打印元件的晶粒尺寸d；

S2，基于所述晶粒尺寸由以下函数获得低周疲劳寿命N_f：

其中，σ_t为拉伸强度，Δσ为应力幅，a_c为临界裂纹程度，δ为断裂韧性，

k₀为应力集中系数，n为应力敏感系数，λ为裂纹长度。

2.根据权利要求1所述的寿命预测方法，其特征在于，所述3D打印元件的材料为镍基高温合金。

3.根据权利要求2所述的寿命预测方法，其特征在于，所述3D打印元件为燃气轮机叶片。

4.根据权利要求1所述的寿命预测方法，其特征在于，所述韦布尔分布的概率密度为：

其中，x代为晶粒尺寸d的随机变量，λ为比例参数，k为形状参数，并且，λ＞0，k＞0。

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