CN112730492A - 一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法及系统，所述增材制造高强铝合金的应力场测试方法包括测量零件表层残余应力，并逐层去除零件表层材料，以获得残余应力场测量值，在ANSYS软件中建立有限元模型，测量所述残余应力场，对零件表面涂覆保护层，将零件表面进行热处理强化，以得到处理后的零件，对所述处理后的零件查找热振复合工艺参数组合，确定热振复合应力均化工艺方案。本发明的增材制造高强铝合金的应力场测试方法不仅能够测量材料表面残余应力或规则形状试件的内部残余应力，而且能够实现对内部残余应力场的精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金增材制造技术领域，特别是涉及一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法及系统。
背景技术
高强铝合金以其优异的高比强度、耐高温、抗腐蚀性能广泛应用于航空航天主承力结构件。受高强铝合金固有特性的影响。采用切削加工的传统加工方法制造大型复杂高强铝合金结构件，存在材料利用率低、生产周期长、加工费用高等缺点。近年来，应用激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping，简称LENS)增材制造技术制造大型高性能金属构件，逐渐成为了国内外先进制造技术与材料加工工程交叉领域的前沿研究热点方向之一，在世界范围内受到政府、工业界和学术界的高度关注。与“锻压+切削加工”或“锻造+焊接”等传统大型金属构件制造技术相比，激光近净成形工艺具有制造流程短、晶粒细小、成分均匀、材料利用率高等特点。该技术有望为国防及工业重大装备中大型难加工金属构件的制造提供一条快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技术新途径。
现有的残余应力测试方法，大多只能测量材料表面残余应力或规则形状试件的内部残余应力，因此迫切需要改进。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法及系统，用于解决现有技术中的测试方法，大多只能测量材料表面残余应力或规则形状试件的内部残余应力的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法，包括：
测量零件表层残余应力，并逐层去除零件表层材料，以获得残余应力场测量值；
在ANSYS软件中建立有限元模型，测量所述残余应力场；
对零件表面涂覆保护层；
将零件表面进行热处理强化，以得到处理后的零件；
对所述处理后的零件查找热振复合工艺参数组合，确定热振复合应力均化工艺方案。
在本发明的一实施例中，通过X射线衍射法或激光散斑干涉盲孔法测量零件表层残余应力。
在本发明的一实施例中，通过机械铣削或化学铣削的方式逐层去除零件表层材料。
在本发明的一实施例中，所述测量所述残余应力场的步骤包括：
对所述有限元模型进行修正，以得到修正后的模型；
对所述修正后的模型通过激光熔化沉积方法进行仿真建模，以得到建模后的模型；
对所述建模后的模型进行残余应力场仿真结果分析，以得到所述残余应力场的测量结果。
在本发明的一实施例中，所述保护层材料为有机硅、环氧树脂和石墨粉的混合物，有机硅和环氧树脂的体积比为1:2，有机硅和石墨粉的质量比为6：1-15：1。
在本发明的一实施例中，所述将零件表面进行热处理强化的步骤包括：
将零件部表面置于200℃～230℃空气热处理炉中，保温3～5h，通入氩气或氮气，进行气体淬火强化，然后冷却至室温，颗粒状组织细化为直径为0.3-0.8微米。
在本发明的一实施例中，所述热振复合工艺参数包括振动频率、振幅、激振位置、振动时间、加热时间、加热温度、保温时间中的一种或几种。
在本发明的一实施例中，所述涂覆保护层厚度为0.8-1.2mm。
在本发明的一实施例中，所述零件的抗拉强度达到800-1240MPa，断后延伸率为4％-12％。
本发明还提供一种增材制造高强铝合金的应力场测试系统，包括：
第一测量模块，用于测量零件表层残余应力，并逐层去除零件表层材料，以获得残余应力场测量值；
第二测量模块，用于在ANSYS软件中建立有限元模型，测量所述残余应力场；
涂覆模块，用于对零件表面涂覆保护层；
热处理强化模块，用于将零件表面进行热处理强化，以得到处理后的零件；
组合模块，用于对所述处理后的零件查找热振复合工艺参数组合，确定热振复合应力均化工艺方案。
如上所述，本发明的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法及系统，具有以下有益效果：
本发明的增材制造高强铝合金的应力场测试方法不仅能够测量材料表面残余应力或规则形状试件的内部残余应力，而且能够实现对内部残余应力场的精确测量。
本发明的增材制造高强铝合金的应力场测试方法通过仿真计算，获得增材制造加工过程中零件内部的残余应力演变规律。基于实测结果修正仿真模型，使仿真结果与实测结果一致，从而提高激光近净成形增材制造工艺过程仿真模型的准确性和有效性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法的工作原理图。
图2为本申请实施例提供的图1中的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法的步骤S2的工作流程图。
图3为本申请实施例提供的一种增材制造高强铝合金的应力场测试系统的结构原理框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法的工作原理图。本发明的增材制造高强铝合金的应力场测试方法针对激光近净成形增材制造高强铝合金的残余应力形成机理与分布规律，开展不同工艺参数下的热时效和振动时效工艺研究，获得不同工艺参数下的微观组织演化规律和残余应力消除效果。现有的残余应力测试方法，大多只能测量材料表面残余应力或规则形状试件的内部残余应力。对复杂形状零件内部的残余应力场的评估，主要通过数值仿真的方法。本发明采用有限元仿真中的“单元生死技术”与智能优化算法相结合，通过有限元仿真与优化迭代计算，实现对内部残余应力场的精确测量。热振复合时效兼具热时效和振动时效的优点，相关研究尚处于起步阶段，金属增材制造零件的热振复合应力均化机理仍有待研究。本发明基于增材制造高强铝合金的残余应力分布特点和热时效与振动时效应力消除机理，探究热振耦合作用下组织演变和应力变化规律，揭示增材制造铝合金的热振复合应力均化机理。增材制造金属材料内部残余应力较大，严重影响零件的尺寸稳定性和力学性能。本发明将热-结构耦合数值仿真模型和热振复合应力均化实验相结合，探究各关键工艺参数对应力消除效果的影响，确定针对增材制造铝合金的热振复合应力均化方案，为该工艺的应用提供依据。
如图1所示，步骤S1、测量零件表层残余应力，并逐层去除零件表层材料，以获得残余应力场测量值。步骤S2、在ANSYS软件中建立有限元模型，测量所述残余应力场。步骤S3、对零件表面涂覆保护层。步骤S4、将零件表面进行热处理强化，以得到处理后的零件。步骤S5、对所述处理后的零件查找热振复合工艺参数组合，确定热振复合应力均化工艺方案。具体的，通过X射线衍射法或激光散斑干涉盲孔法测量零件表层残余应力。通过机械铣削或化学铣削的方式逐层去除零件表层材料。所述保护层材料为有机硅、环氧树脂和石墨粉的混合物，有机硅和环氧树脂的体积比为1:2，有机硅和石墨粉的质量比为6：1-15：1。所述涂覆保护层厚度为0.8-1.2mm。所述将零件表面进行热处理强化的步骤包括：将零件部表面置于200℃～230℃空气热处理炉中，保温3～5h，通入氩气或氮气，进行气体淬火强化，然后冷却至室温，颗粒状组织细化为直径为0.3-0.8微米。所述零件的抗拉强度达到800-1240MPa，断后延伸率为4％-12％。所述热振复合工艺参数包括振动频率、振幅、激振位置、振动时间、加热时间、加热温度、保温时间中的一种或几种。
如图1所示，应用X射线衍射法或激光散斑干涉盲孔法测量零件表层残余应力，再利用剥层法逐层去除零件表层材料。剥层采用机械铣削或化学铣削的方式，去除表层材料后再测量剥层后的表面残余应力。通过逐层去除和残余应力测试，获得各层残余应力值。将优化软件ISIGHT与有限元软件ANSYS联合，在ANSYS软件中建立有限元模型，每“放生”一层，设置“放生”层相应单元的修正因子，进行静态求解生成残余应力场分析文件；用ISIGHT的Mdol语言分析ANSYS的运算文件和结果文件，进而调用ANSYS进行动态分析；在ISIGHT设置修正因子的值，以“放生”层的残余应力计算值与测试得到的误差为优化目标，选取适当的智能优化算法进行迭代计算，直到符合误差条件。通过逐层迭代，获得各层的实际残余应力值。
如图1所示，基于热时效和振动时效的应力消除效果和机理，通过热-结构场耦合数值仿真、应力均化技术、残余应力测试、金相组织分析相结合的方式，探究热振耦合作用下组织演变和应力变化规律，揭示增材制造高强铝合金的应力释放机理。增材制造高强铝合金热振复合应力均化工艺研究：将热-力耦合数值仿真与热振复合应力均化实验相结合，探究振动频率、振幅、激振位置、振动时间、加热时间、加热温度等参数，对激光近净成形增材制造高强铝合金的应力消除效果的影响。以应力均化效果最优为目标，优化热振复合工艺参数组合，确定应力均化方案。
请参阅图2，图2为本申请实施例提供的图1中的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法的步骤S2的工作流程图。步骤S2中的所述测量所述残余应力场的步骤包括：步骤S21、对所述有限元模型进行修正，以得到修正后的模型。步骤S22、对所述修正后的模型通过激光熔化沉积方法进行仿真建模，以得到建模后的模型。步骤S23、对所述建模后的模型进行残余应力场仿真结果分析，以得到所述残余应力场的测量结果。
如图2所示，考虑材料热力学特性、激光功率、扫描路径和速度、熔池尺寸、熔池温度场等因素，建立激光近净成形增材制造过程多物理场数值仿真模型。通过仿真计算，获得增材制造加工过程中零件内部的残余应力演变规律。基于实测结果修正仿真模型，使仿真结果与实测结果一致，从而提高激光近净成形增材制造工艺过程仿真模型的准确性和有效性。基于热时效和振动时效应力均化机理，结合激光近净成形增材制造铝合金的组织特点和残余应力分布规律，开展增材制造高强铝合金的热振复合应力均化机理研究。通过热-结构场耦合数值仿真、应力均化实验、残余应力测试、金相组织分析相结合的方式，分别探究热作用、振动作用和热振耦合作用下组织演变和应力变化规律，揭示增材制造铝合金的应力释放机理。设计和研制针对增材制造复杂形状零件的热振复合工艺装备，将热-结构耦合数值仿真与热振复合应力均化实验相结合，开展不同热振复合工艺参数，如振动频率、振幅、激振位置、振动时间、加热时间、加热温度、保温时间等，对增材制造高强铝合金应力消除效果、材料力学性能和微观组织的影响研究。以应力均化效果最优为目标，找到最优热振复合工艺参数组合，确定热振复合应力均化工艺方案。
请参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种增材制造高强铝合金的应力场测试系统的结构原理框图。与本发明的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法原理相似的是，本发明提供了一种增材制造高强铝合金的应力场测试系统，所述增材制造高强铝合金的应力场测试系统包括但不限于第一测量模块10、第二测量模块20、涂覆模块30、热处理强化模块40以及组合模块50。所述第一测量模块10用于测量零件表层残余应力，并逐层去除零件表层材料，以获得残余应力场测量值。所述第二测量模块20用于在ANSYS软件中建立有限元模型，测量所述残余应力场。所述涂覆模块30用于对零件表面涂覆保护层。所述热处理强化模块40用于将零件表面进行热处理强化，以得到处理后的零件。所述组合模块50用于对所述处理后的零件查找热振复合工艺参数组合，确定热振复合应力均化工艺方案。
综上所述，本发明的增材制造高强铝合金的应力场测试方法不仅能够测量材料表面残余应力或规则形状试件的内部残余应力，而且能够实现对内部残余应力场的精确测量。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法，其特征在于，包括：
测量零件表层残余应力，并逐层去除零件表层材料，以获得残余应力场测量值；
在ANSYS软件中建立有限元模型，测量所述残余应力场；
对零件表面涂覆保护层；
将零件表面进行热处理强化，以得到处理后的零件；
对所述处理后的零件查找热振复合工艺参数组合，确定热振复合应力均化工艺方案。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法，其特征在于：通过X射线衍射法或激光散斑干涉盲孔法测量零件表层残余应力。
3.根据权利要求1所述的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法，其特征在于：通过机械铣削或化学铣削的方式逐层去除零件表层材料。
4.根据权利要求1所述的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法，其特征在于，所述测量所述残余应力场的步骤包括：
对所述有限元模型进行修正，以得到修正后的模型；
对所述修正后的模型通过激光熔化沉积方法进行仿真建模，以得到建模后的模型；
对所述建模后的模型进行残余应力场仿真结果分析，以得到所述残余应力场的测量结果。
5.根据权利要求1所述的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法，其特征在于：所述保护层材料为有机硅、环氧树脂和石墨粉的混合物，有机硅和环氧树脂的体积比为1:2，有机硅和石墨粉的质量比为6：1-15：1。
6.根据权利要求1所述的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法，其特征在于，所述将零件表面进行热处理强化的步骤包括：
将零件部表面置于200℃～230℃空气热处理炉中，保温3～5h，通入氩气或氮气，进行气体淬火强化，然后冷却至室温，颗粒状组织细化为直径为0.3-0.8微米。
7.根据权利要求1所述的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法，其特征在于：所述热振复合工艺参数包括振动频率、振幅、激振位置、振动时间、加热时间、加热温度、保温时间中的一种或几种。
8.根据权利要求5所述的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法，其特征在于：所述涂覆保护层厚度为0.8-1.2mm。
9.根据权利要求6所述的一种增材制造高强铝合金的应力场测试方法，其特征在于：所述零件的抗拉强度达到800-1240MPa，断后延伸率为4％-12％。
10.一种增材制造高强铝合金的应力场测试系统，其特征在于，包括：
第一测量模块，用于测量零件表层残余应力，并逐层去除零件表层材料，以获得残余应力场测量值；
第二测量模块，用于在ANSYS软件中建立有限元模型，测量所述残余应力场；
涂覆模块，用于对零件表面涂覆保护层；
热处理强化模块，用于将零件表面进行热处理强化，以得到处理后的零件；
组合模块，用于对所述处理后的零件查找热振复合工艺参数组合，确定热振复合应力均化工艺方案。
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