CN118046098A - 一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法 - Google Patents
一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法，包括步骤：设计基于单系列铝合金交替层调整的异质材料过渡方式；获取增材热源模型，计算异质构件增材过程热累积和应力场结果，开展单系列铝合金和过渡区域的组织‑气孔演化仿真与冷却过程的微观应力仿真，对宏观热力结果、不同区域晶粒度与致密度、微观应力演化平稳度与分布均匀性逐级合理性判定，优选增材及激光重熔参数；基于优选方案进行异质构件增材与服役性能合规性判定，以实现高质量整体成型。通过使用本发明中的方法，可以实现异质材料高质量一体化激光同轴熔丝增材制造，达到构件增材过程中应力、缺陷、组织与性能协同管控的目的。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体地说，是涉及一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法。
背景技术
随着我国综合实力的稳步前进和航空航天部件向着复杂化、性能/功能一体化方向发展，航空航天领域对飞行器的设计思想理念不断创新，先进飞行器的构件制造对轻合金、复合材料和其他航空材料的整体应用提出了新的构想。为满足装备结构最适宜、最可靠的结构设计要求，在航空航天飞行器相邻部位会出现由多种材料连续或非连续分布所构成的异质材料零件应用情景，不同材料属性导致直接整体成型情况下无法兼顾二者的加工参数。因此，该类跨系列异质铝合金结构目前国内外一般通过锻铸工艺分别制备，再采用焊接或机械铆接方法连接，其制备成本较高，在一定程度上制约了飞行器大尺寸一体化结构的研发设计和使用性能，寻求高性能多功能整体结构的一体化成型工艺迫在眉睫。近年来，随着3D打印技术的不断发展，增材制造技术在国内外均得到显著关注，为飞行器轻量化复杂结构整体成型提供了一条高效便捷的可持续应用途径，能够根据实际服役性能需求对材料分布进行合理设计。其中，基于光束整形技术的激光同轴熔丝增材制造工艺(Laser andwire additive manufacturing，LWAM)由于具备沉积速率快、材料利用率高、刀具自由度大、表面质量高、生产成本低、环境污染少等优点，在大型复杂结构零部件生产上具备兼顾成本、熔覆效率和成形质量的发展前景。基于激光同轴熔丝增材制造技术开展跨系列异质铝合金铝合金整体结构连续一体化成型制备，能够充分实现功能一体化与飞行器整体结构减重的高度同时响应。
由于铝合金丝材增材过程热输入不易控制、丝材表面光洁度较差、材料对激光具有高反射率和导热率、材料密度低且流动性较差等原因，导致铝合金激光同轴熔丝增材制造过程极易出现送丝稳定控制较难、成形稳定性较差、残余应力和变形较大、成形精度略低等问题。因此，更多人将研究重点集中于较为容易实现的激光粉末增材制造，针对铝合金激光同轴熔丝增材制造方面的研究还没有突出的成果和较大的进展，相关研究还停留在丝材送进熔化过程的稳定性和丝材过渡方面。同时，当一体化成型构件涉及到两种甚至多种材料时，尤其当材料属性存在明显间隔，组织转变和性能变化的现象将更为显著，其过程相较于单质金属增材制造更为复杂。近年来，很多中外学者都对多金属材料结构从材料设计制备与组织性能分析等方面开展了大量研究工作，在中间层设计、相组成分析和组织性能调控等方面取得了诸多成果。然而，目前两种或多种金属材质的高性能增材连接仍是掣肘该工艺推广应用的一个瓶颈问题，且材料研究体系不够广泛，尤其针对铝合金异质构件的增材制造目前鲜有报道和研究，对于工艺参数的选择以及具体制备过程还缺乏深入的认识。
在跨系列异质铝合金激光同轴熔丝增材制造过程中，叠层过渡方式和工艺参数的选取对于整体成型质量影响至关重要。激光同轴熔丝增材制造过程是一个快速熔化又快速冷却的过程，熔池存在时间极为短暂，且其物理过程极为复杂。对激光同轴熔丝增材制造过程进行模拟以再现增材制造过程中整体应力和微区应力、温度场、微观组织与缺陷等动态演化过程，有效预测沉积层中的气孔、裂纹、杂质和层间结合力强弱等一些可能存在的缺陷，并基于多物理场仿真结果调控增材制造过程中的工艺参数和扫描策略，实现异质铝合金层状交替结构的高质量一体化激光同轴熔丝增材制造，这对于推进异质构件激光增材制造领域的发展具有重要意义。
针对异质铝合金层状交替结构一体化激光同轴熔丝增材制造过程，设计不同叠层过渡方式，并开展温度场、应力场、微观组织和缺陷等多场耦合模拟，将激光同轴熔丝增材制造技术和多物理场仿真技术进行综合应用，通过动态计算沉积过程热累积程度、应力场分布均匀化程度、晶粒度和构件致密度以不断优化扫描策略和工艺参数，基于多物理场仿真动态调控以实现异质铝合金层状交替结构的高质量一体化激光同轴熔丝增材制造，达到异质材料结构零件激光同轴熔丝增材制造微观组织与缺陷可控且层间力学性能增强的目的。
发明内容
本发明的目的是设计一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法。
本发明要解决的主要问题是：异质铝合金构件一体化激光同轴熔丝增材制造过程存在界面应力与组织分布不均、内部缺陷较多、层间结合性能弱等问题，采用传统实验方法进行热累积和应力调控以优化工艺参数、扫描策略和叠层过渡方式，进而实现微观组织和力学性能整体管控的成本颇高、费时费力，且最终构件整体成型质量难以保证。
本发明中提及的一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法，其具体内容为：
(1)开展单系列铝合金单层单道激光同轴熔丝增材制造实验并监测增材过程，获取增材热源模型及其参数；
(2)设计多种异质铝合金叠层过渡方式，拆解构件服役性能并获取致密度和晶粒度要求，构建激光清洗、激光同轴熔丝增材和激光重熔全流程的有限元模型；
(3)开展异质铝合金激光同轴熔丝增材制造过程热力仿真计算，基于热累积、整体应力和叠层区域应力结果动态判定，输出较优工艺参数下的温度场结果；
(4)耦合宏观温度场结果与微观组织-气孔生长模型，获取异质铝合金构件激光同轴熔丝增材制造过程中构件内部微观组织和缺陷分布情况；
(5)基于三维模拟所得微观组织与气孔缺陷耦合生长形貌，开展沉积层冷却过程中单系列铝合金和异质叠层区域内部组织与气孔的微区应力仿真计算；
(6)基于微区应力动态判定识别输出较优工艺参数并开展样件打印、缺陷检测和服役性能测试，基于缺陷和性能指标合规性判定输出对应异质铝合金激光同轴熔丝增材制造扫描策略和增材样件。
优选地，步骤(1)是在单一铝合金激光同轴熔丝增材制造过程中，采用红外测温和高速摄像对其增材过程温度场和熔池形貌进行动态监测，采集实际增材样件横截面几何形貌尺寸并建立网格模型，进行材料热物性参数加载、基板初始预热温度设置、增材路径和热力边界条件设置、激光功率和扫描速度等工艺参数输入，分析激光同轴熔丝增材制造热源特性以建立光线追踪模型和热源模型，加载热源模型至沉积层网格单元完成有限元模型建立，采用红外测温数据、沉积层熔池形貌对温度场仿真结果进行对比校核，在模拟结果与实验结果完成吻合的情况下输出激光同轴熔丝增材制造热源模型及其对应模型参数。
优选地，步骤(2)是通过改变异质铝合金交替过渡层数和过渡层内单系列铝合金激光扫描角度来初步设计多种叠层过渡方式，根据异质铝合金构件服役环境，对不同区域进行服役性能拆解并获得致密度和晶粒度要求，设置沉积层数、扫描道数、扫描间距、扫描角度等几何尺寸要求，设置初始交替区域、交替层数、交替方式、交替层内扫描角度等叠层区域增材制造要求，构建整体构件网格模型，对不同材料属性区域设置对应热物性参数，设置初始环境条件、热力边界条件、扫描策略(层间冷却时间、扫描角度等)，针对激光同轴熔丝增材制造、激光清洗和激光重熔过程，逐级输入激光功率和扫描速度等工艺参数并加载对应热源模型，完成异质铝合金激光同轴熔丝增材制造宏观有限元模型建立。
优选地，步骤(3)是通过提取激光同轴熔丝增材制造过程中不同位置的热循环曲线和峰值应力，对比对应峰值温度来直观判定整体构件是否存在热累积现象，反馈调节激光同轴熔丝和激光重熔工艺参数以减轻热累积程度，将异质构件中最低强度的单系列铝合金屈服强度与整体构件峰值应力进行对比，当整体应力超过单系列铝合金屈服强度时反馈调节增材工艺参数，对叠层区域应力分布均匀化程度进行动态判定以反馈调节叠层区域增材及重熔工艺参数，实现整体构件的低应力均匀化分布，并输出相应温度场结果。
优选地，步骤(4)是通过耦合气孔演化模型至晶粒生长模型，采用插值算法实现宏观温度场和微观组织-气孔耦合，建立单系列铝合金增材区域和叠层区域的微观组织与气孔耦合演化模型，基于不同增材区域的微观组织与气孔模拟结果，依次识别判定单系列铝合金沉积层晶粒度和致密度合理性，当不满足相应准则时反馈调节增材和激光重熔工艺参数直至全部满足准则要求，之后针对叠层区域逐级判定晶粒度和致密度合理性，当全部符合相应准则后输出整体构件增材工艺参数、扫描策略和微观仿真数据。
优选地，步骤(5)是通过提取单系列铝合金和叠层增材区域的三维微观组织与气孔模拟数据，建立微区内组织与气孔耦合网格模型，设置组织与气孔对应的热物性参数，设置沉积层冷却凝固的初始温度，加载沉积层冷却过程中晶粒尺度级的力学边界条件和增材热源模型，建立单系列铝合金和叠层增材区域冷却过程中组织与气孔的有限元模型，开展热力仿真计算，提取单系列铝合金和异质叠层增材区域内的组织与气孔应力分布结果。
优选地，步骤(6)是通过对单系列铝合金和异质叠层增材区域内的组织与气孔应力演化平稳程度及应力分布均匀化程度进行逐渐判定，当不满足相应准则要求时反馈调节增材与激光重熔工艺参数及扫描策略，直至满足要求后输出宏观与微观模拟结果及相应工艺参数和扫描策略，设置保护气流量进行异质铝合金激光同轴熔丝增材制造，对实际增材试样进行宏观与微观裂纹逐渐识别判定，当沉积层出现裂纹时反馈调节相应工艺参数并重新开展仿真计算，直至满足当下准则后进行异质构件服役性能测试和数值判定，当构件显微硬度、拉伸性能和疲劳性能不满足当下准则要求时反馈调节扫描策略，直至全部满足相应指标要求后输出对应增材工艺参数、扫描策略和增材样件
本发明的有益效果：本发明所述的一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法，通过设计基于单系列铝合金交替层扫描角度改变的多种异质铝合金叠层过渡方式，建立铝合金激光同轴熔丝增材制造热源模型，开展整体构件温度场、应力场和微观组织场、缺陷场多个物理场和微区组织与气孔应力场仿真计算，基于模拟结果中单一铝合金沉积层和异质铝合金叠层过渡区域热累积程度、应力分布均匀化程度、晶粒度和致密度合理性进行反复迭代计算，能够实现应力分布均匀、组织缺陷与力学性能整体可控的异质铝合金一体化激光同轴熔丝增材制造。由于铝合金基材和丝材对于激光的高反射率和低吸收率，以及异质铝合金激光同轴熔丝增材制造过程中层间应力分布复杂且层间结合性能较弱，引入多物理场仿真手段对增材过程进行预判和多层级动态判定调控，明显提高异质铝合金激光同轴熔丝增材制造过程的稳定性，降低增材过程中的热累积程度和整体峰值应力，提高异质铝合金一体化成型构件质量，扩展激光同轴熔丝增材制造在航空航天等先进制造领域的应用范围。
附图说明
图1为基于单系列铝合金增材过程有限元仿真的激光同轴熔丝增材制造热源模型建立流程图。
图2为基于单系列铝合金交替层扫描角度改变的多种异质铝合金叠层过渡方式示意图。
图3为基于多物理场仿真调控的异质铝合金层状交替结构高质量一体化激光同轴熔丝增材制造方法的实现流程图。
图4为一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法的具体操作流程图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
本发明方法工作流程如图1-4所示。
图1为基于单系列铝合金增材过程有限元仿真的激光同轴熔丝增材制造热源模型建立流程图。
步骤1开展单一铝合金单层单道激光同轴熔丝增材制造实验，包括针对异质铝合金一体化增材制造过程中所涉及的所有系列铝合金开展实验，
步骤2-3对铝合金激光同轴熔丝增材制造过程进行监测，具体包括采用红外测温仪对增材过程中的温度场进行监测，采用高速摄像对熔池形貌监测，动态提取温度场结果和熔池形貌图像。
步骤4获取单道单道沉积层横截面形貌，采用线切割对增材样件进行横截面切割，在金相显微镜下测量纪记录沉积层的熔深、余高和熔宽数据。
步骤5获取并构建单一铝合金单层单道激光同轴熔丝增材制造几何模型，在三维制图软件中根据测量记录的沉积层横截面尺寸数据进行几何模型好的构建。
步骤6位构建整体构件激光同轴熔丝增材制造网格模型，根据热源作用范围对整体构件进行沉积层和热影响区的区域划分，采用疏密过渡的网格划分方法在有限元建模软件中进行网格模型的构建。
步骤7获取并加载材料热物性参数，针对沉积层和基板不同的材料属性，定义弹性模量、屈服强度、热膨胀系数、导热系数及比热容等热敏参数变量随温度变化的关系，定义材料的泊松比和密度，将定义的材料性能参数施加到相应的网格单元上。
步骤8-9为在Marc有限元分析软件中设置初始条件和边界条件，包括：
基板预热温度设置。根据实际实验结果在初始条件设置中将初始环境温度设置为基板预热温度。
增材过程热学和力学边界条件设置。散热边界条件设置工件和外界环境的对流系数为40，选取整个构件能够散热的外表面单元设定散热边界条件；力学边界条件的设置主要是构件在增材过程中由于应力和变形发生发生刚性位移，基于施加约束原则在保证物体不发生刚性位移的同时也不添加多余的刚性约束，在三维空间的X、Y和Z方向上对结构体单元设置与实际增材过程中物理装夹条件相对应的位移约束，完成力学边界条件的设置。
步骤10-12为激光同轴熔丝增材制造热源模型的建立，具体包括分析激光同轴熔丝增材制造热源分布特性，采用光学分析软件建立激光同轴熔丝增材制造光学追踪模型，基于热源分布特性和光线追踪模型，获取激光同轴熔丝增材制造热源模型。
步骤13-14为在Marc有限元分析软件完成单系列铝合金激光同轴熔丝增材制造有限元模型的建立，包括：
加载激光同轴熔丝增材制造热源模型。将所建立的热源模型采用代码外接的方式加载至单系列铝合金激光同轴熔丝增材制造有限元模型，并对热源参数进行设定，选择热源能够包括的单元范围进行热源模型的加载；
单道激光增材制造工艺参数输入。工艺参数的输入主要包括激光功率和扫描速度的设置，根据实际情况对不同激光工艺参数所对应的网格单元进行选取和加载。
步骤15-16在有限元模型建立完成后，采用有限元方法完成温度场仿真计算和结果提取。
步骤17通过判断温度场模拟结果与实际实验结果的吻合度来判断是否输出热源模型和模型参数，具体包括将仿真结果与红外测温结果、高速摄像结果和横截面形貌进行对比，如果不相符合则进入步骤11对光线追踪模型进行修正，否则，进入步骤18输出热源模型和参数并继续进入步骤19。
如图2所示，在异质铝合金一体化激光同轴熔丝增材制造过程中，通过初步在构件上部设置7×××铝合金，在构件下部设置2×××铝合金，在交替过渡区域采用先1层7×××铝合金再2层2×××铝合金的过渡方法，并在1层7×××铝合金内部改变激光扫描角度，实现异质铝合金一体化增材过程叠层过渡方式的设置。
图3为基于多物理场仿真调控的异质铝合金层状交替结构高质量一体化激光同轴熔丝增材制造方法的实现流程图。
步骤19-23为基于异质铝合金整体构件服役环境进行服役性能、构件致密度和晶粒度的获取，包括将构件整体服役形貌拆解为拉伸性能、疲劳性能、显微硬度等单一性能，整体构件致密度要求获取和晶粒度输入。
步骤24-26为异质铝合金激光同轴熔丝增材制造几何模型的建立，包括：
输入整体构件激光同轴熔丝增材制造几何尺寸要求。根据实际构件尺寸要求进行沉积层数、扫描道数、层间和道间扫描间距、扫描角度的设置；
异质铝合金激光同轴熔丝增材制造过程叠层区域设置。因叠层交替区域关于异质构件整体性能，因此针对叠层区域进行异质铝合金初始交替区域、相互交替层数、相互交替方式的设置，并且在交替层内设置不同扫描角度；
构建整体构件激光同轴熔丝增材制造几何模型。基于几何尺寸设置和叠层交替区域设置，在三维建模软件中完成几何模型的建立。
步骤27构建整体构件激光同轴熔丝增材制造网格模型，在有限元建模软件中根据不同材料属性将整体构件设置为不同的部件，并采用疏密过渡的网格划分方法完成网格模型的建立。
步骤28-37为在Marc有限元分析软件完成单系列铝合金激光同轴熔丝增材制造有限元模型的建立，包括：
针对异质铝合金分层设置材料热物性参数。分别针对不同材料定义弹性模量、屈服强度、热膨胀系数、导热系数、比热容、泊松比和密度等材料热物性参数，将定义的材料性能参数施加到不同材料部位对应的网格单元上；
增材基板初始温度条件设置。将初始环境温度设置为基板预热温度；
增材过程散热边界条件和力学边界条件设置。将异质铝合金构件整体外表面设置为对流换热表面，采用三点自由装夹方式进行力学边界条件设置，在三维空间的X、Y和Z方向上对结构体单元设置与实际增材过程中物理装夹条件相对应的位移约束，完成力学边界条件的设置；
增材过程扫描策略设置。针对每道沉积层分别设置扫描方向、扫描角度、扫描长度，同时针对异质构件设置层间冷却时间；
激光同轴熔丝增材制造工艺参数输入。工艺参数的输入主要包括激光功率和扫描速度的设置，根据实际情况对不同激光工艺参数所对应的网格单元进行选取和加载；
激光同轴熔丝增材制造热源模型加载。将单层单道仿真输出的激光同轴熔丝增材制造热源模型，采用外接代码方式加载至异质铝合金增材制造有限元模型中；
沉积层激光清洗参数输入。针对每一层沉积层进行激光清洗，激光清洗参数主要包括激光功率和扫描速度，根据实际情况对不同激光工艺参数所对应的网格单元进行选取和加载；
激光清洗热源模型加载。选择合适的热源模型对激光束作用进行表征，并对热源参数进行设定，高斯热源参数：面热源功率、面热源有效作用半径、体热源功率、体热源有效作用半径、体热源有效作用深度、热源有效吸收系数，选择热源能够包括的单元范围，施加工件和外界环境的对流边界条件；
激光重熔工艺参数输入。为保证整体构件的良好成型，针对每一道沉积层进行激光重熔，激光重熔工艺参数主要包括激光功率和扫描速度；
激光重熔热源模型的加载。首先选择合适的热源模型对激光束作用进行表征，并对热源参数进行设定，双椭球热源参数：焊接能量、有效功率系数、热源宽度、热源深度、热源前半椭球长度、热源后半椭球长度，高斯热源参数：面热源功率、面热源有效作用半径、体热源功率、体热源有效作用半径、体热源有效作用深度、热源有效吸收系数，选择热源能够包括的单元范围，施加工件和外界环境的对流边界条件。
步骤38在有限元模型建立完成后，采用有限元方法完成温度场、应力场和变形的仿真计算。
步骤39为温度场仿真结果的输出，选取不同区域的节点进行热循环曲线和峰值温度的提取。
步骤40通过判断沉积层内部是否存在热累积现象来判断是否继续进行计算，如果存在热累积则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，否则，输出模拟模拟结果并继续进入步骤41。
步骤41为应力场仿真结果的输出，提取整体构件应力分布云图和叠层区域应力变化曲线。
步骤42通过判断整体应力是否超过单一铝合金屈服强度来判断是否继续进行计算，如果整体应力超过单一铝合金屈服强度则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，否则，继续进入步骤43。
步骤43通过判断叠层过渡区域应力分布是否均匀来判断是否继续进行计算，根据叠层区域不同路径上的应力变化曲线波动情况来判定应力的分布均匀性，如果应力分布不均则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，并同时进入步骤31对扫描策略进行调整，否则，进入步骤44输出宏观温度场结果并进入步骤45。
步骤44-50为微观组织与气孔模型的建立，包括：
输入有限元宏观计算的温度场结果；
微观组织模拟参数和气孔模型参数设置。输入温度、溶质分数和模拟中用到的材料物性参数和气孔物性参数，材料物性参数包括液相线温度、液相线斜率、溶质分配系数、液相扩散系数、固相扩散系数、Gibbs-Thomson系数、初始浓度、元胞尺寸、时间步等，气孔物性参数包括几何参数、气相分数等；
宏观-微观插值耦合算法设置。采用插值耦合算法将宏观温度场模拟结果进行插值运算，进而获得每个微观元胞对应的微观节点温度。
晶粒随机形核模型建立。采用随机算法进行晶核设置，元胞状态变化采用连续变量表示。“1”代表固相，“0”代表液相，“0”和“1”之间代表固/液界面，处于界面态的元胞可以发生形核和长大。首先判断过冷度是否大于临界过冷度，当过冷度大于临界过冷度时在液态金属中发生凝固形核；一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒；
气孔生长演化模型建立。采用随机模型建立气孔形核模型，通过计算气孔体积变化和氢浓度场完成气孔生长演化模型建立。
微观组织与气孔耦合模型建立。基于枝晶生长模型和气孔演变模型，同时考虑两者对熔融液体中微观溶质场、氢浓度场等的影响，建立枝晶与气孔耦合模型。
步骤51为单一铝合金增材区域微观组织与气孔耦合求解。
步骤52通过判断单一铝合金沉积层晶粒度是否符合要求来判断是否继续进行计算，如果超过尺寸要求则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，否则，输出模拟模拟结果并继续进入步骤53。
步骤53通过判断单一铝合金沉积层致密度是否符合要求来判断是否继续进行计算，如果超过指标要求则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，否则，输出模拟模拟结果并继续进入步骤54。
步骤54为异质铝合金叠层区域微观组织与气孔耦合求解。
步骤55通过判断异质铝合金叠层过渡区域内部晶粒度是否符合要求来判断是否继续进行计算，如果超过尺寸要求则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，并同时进入步骤31对扫描策略进行调整，否则，输出模拟模拟结果并继续进入步骤56。
步骤56通过判断异质铝合金叠层过渡区域内部致密度是否符合要求来判断是否继续进行计算，如果超过指标要求则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，并同时进入步骤31对扫描策略进行调整，否则，输出模拟模拟结果并继续进入步骤57。
步骤57-58为微区组织与气孔几何模型的建立，包括：
输出单一铝合金沉积层和异质叠层区域组织与气孔耦合生长三维形貌。提取异质铝合金激光同轴熔丝增材制造构件内部的单一铝合金沉积层和叠层过渡区域的三维微观组织与气孔模拟形貌数据；
建模组织与气孔耦合几何模型。在三维建模软件中将提取的三维微观组织与气孔模拟形貌数据进行转换，从而建模几何模型；
步骤59建立组织与气孔耦合网格模型。
步骤60-63为微区组织与气孔激光同轴熔丝增材制造有限元模型的建立，包括：
设置组织和气孔热物性参数。输入组织对应的铝合金材料热物性参数和气孔对于的气体热物性参数；
设置冷却凝固初始环境温度。将对应铝合金凝固结晶温度设置为初始环境温度。
设置沉积层冷却过程中晶粒尺度级别的力学边界条件。将冷却过程中的熔池凝固收缩应力等效设置为组织和气孔的力学边界条件；
加载激光同轴熔丝增材制造热源模型。
步骤64为单一铝合金沉积层内部组织与气孔耦合应力仿真有限元模型计算。
步骤65单一铝合金沉积层冷却过程中组织与气孔微区应力仿真结果提取，包括整体应力分布云图、不同节点上的应力变化曲线和单一节点不同时刻的应力变化曲线。
步骤66通过判断单一铝合金微区组织气孔应力演化过程是否平稳来判断是否继续进行计算，通过分析单一节点不同时刻的应力变化曲线来判定应力演化过程平稳度，如果冷却过程中应力变化较为剧烈则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，否则，输出模拟模拟结果并继续进入步骤67。
步骤67通过判断单一铝合金微区组织气孔应力分布是否均匀来判断是否继续进行计算，通过分析不同节点上的应力变化曲线来判定应力分布均匀化程度，如果整体应力分布不均则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，否则，输出模拟模拟结果并继续进入步骤68。
步骤68为异质叠层区域内部内部组织与气孔耦合应力仿真有限元模型计算。
步骤69为异质叠层区域冷却过程中组织与气孔微区应力仿真结果提取，包括整体应力分布云图、不同节点上的应力变化曲线和单一节点不同时刻的应力变化曲线。
步骤70通过判断异质铝合金叠层区域组织与气孔应力演化过程是否平稳来判断是否继续进行计算，如果冷却过程中应力变化较为剧烈则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，并同时进入步骤31对扫描策略进行调整，否则，输出模拟模拟结果并继续进入步骤71。
步骤71通过判断异质铝合金叠层区域组织与气孔应力分布是否均匀来判断是否继续进行计算，如果整体应力分布不均则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，并同时进入步骤31对扫描策略进行调整，否则，输出模拟模拟结果并继续进入步骤72。
步骤72输出宏观和微观模拟结果。
步骤73输出对应于热累积降低、应力较低、应力演化过程平稳且应力分布均匀、构件晶粒度和致密度合标对应的工艺参数。
步骤74设置增材制造过程保护气流量。
步骤75开始实际异质铝合金一体化试样的激光同轴熔丝增材制造。
步骤76通过判断构件整体是否存在宏观裂纹来判断是否重新返回计算，如果构件整体存在宏观裂纹则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，否则进入步骤77。
步骤77通过判断构件不同区域内部是否存在微观裂纹来判断是否重新返回计算，如果存在微观裂纹则进入步骤32和步骤36对相应工艺参数进行调整，并同时进入步骤31对扫描策略进行调整，否则，进入步骤78对该样件进行服役性能测试。
步骤78-81为构件服役性能测试，具体步骤包括针对构件不同区域开展显微硬度测试、拉伸性能测试和疲劳性能测试，对性能测试结果进行记录和对比分析。
步骤82通过判断构件性能是否满足指标要求来判断是否重新返回计算，如果低于服役性能指标要求则进入步骤31对扫描策略进行调整，否则，进入步骤83输出对应叠层扫描策略和增材样件。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (7)
1.一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)开展单系列铝合金单层单道激光同轴熔丝增材制造实验并监测增材过程，获取增材热源模型及其参数；
(2)设计多种异质铝合金叠层过渡方式，拆解构件服役性能并获取致密度和晶粒度要求，构建激光清洗、激光同轴熔丝增材和激光重熔全流程的有限元模型；
(3)开展异质铝合金激光同轴熔丝增材制造过程热力仿真计算，基于热累积、整体应力和叠层区域应力结果动态判定，输出较优工艺参数下的温度场结果；
(4)耦合宏观温度场结果与微观组织-气孔生长模型，获取异质铝合金构件激光同轴熔丝增材制造过程中构件内部微观组织和缺陷分布情况；
(5)基于三维模拟所得微观组织与气孔缺陷耦合生长形貌，开展沉积层冷却过程中单系列铝合金和异质叠层区域内部组织与气孔的微区应力仿真计算；
(6)基于微区应力动态判定识别输出较优工艺参数并开展样件打印、缺陷检测和服役性能测试，基于缺陷和性能指标合规性判定输出对应异质铝合金激光同轴熔丝增材制造扫描策略和增材样件。
2.根据权利要求1所述的一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤(1)是在单一铝合金激光同轴熔丝增材制造过程中，采用红外测温和高速摄像对其增材过程温度场和熔池形貌进行动态监测，采集实际增材样件横截面几何形貌尺寸并建立网格模型，进行材料热物性参数加载、基板初始预热温度设置、增材路径和热力边界条件设置、激光功率和扫描速度等工艺参数输入，分析激光同轴熔丝增材制造热源特性以建立光线追踪模型和热源模型，加载热源模型至沉积层网格单元完成有限元模型建立，采用红外测温数据、沉积层熔池形貌对温度场仿真结果进行对比校核，在模拟结果与实验结果完成吻合的情况下输出激光同轴熔丝增材制造热源模型及其对应模型参数。
3.根据权利要求1所述的一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤(2)是通过改变异质铝合金交替过渡层数和过渡层内单系列铝合金激光扫描角度来初步设计多种叠层过渡方式，根据异质铝合金构件服役环境，对不同区域进行服役性能拆解并获得致密度和晶粒度要求，设置沉积层数、扫描道数、扫描间距、扫描角度等几何尺寸要求，设置初始交替区域、交替层数、交替方式、交替层内扫描角度等叠层区域增材制造要求，构建整体构件网格模型，对不同材料属性区域设置对应热物性参数，设置初始环境条件、热力边界条件、扫描策略(层间冷却时间、扫描角度等)，针对激光同轴熔丝增材制造、激光清洗和激光重熔过程，逐级输入激光功率和扫描速度等工艺参数并加载对应热源模型，完成异质铝合金激光同轴熔丝增材制造宏观有限元模型建立。
4.根据权利要求1所述的一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤(3)是通过提取激光同轴熔丝增材制造过程中不同位置的热循环曲线和峰值应力，对比对应峰值温度来直观判定整体构件是否存在热累积现象，反馈调节激光同轴熔丝和激光重熔工艺参数以减轻热累积程度，将异质构件中最低强度的单系列铝合金屈服强度与整体构件峰值应力进行对比，当整体应力超过单系列铝合金屈服强度时反馈调节增材工艺参数，对叠层区域应力分布均匀化程度进行动态判定以反馈调节叠层区域增材及重熔工艺参数，实现整体构件的低应力均匀化分布，并输出相应温度场结果。
5.根据权利要求1所述的一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤(4)是通过耦合气孔演化模型至晶粒生长模型，采用插值算法实现宏观温度场和微观组织-气孔耦合，建立单系列铝合金增材区域和叠层区域的微观组织与气孔耦合演化模型，基于不同增材区域的微观组织与气孔模拟结果，依次识别判定单系列铝合金沉积层晶粒度和致密度合理性，当不满足相应准则时反馈调节增材和激光重熔工艺参数直至全部满足准则要求，之后针对叠层区域逐级判定晶粒度和致密度合理性，当全部符合相应准则后输出整体构件增材工艺参数、扫描策略和微观仿真数据。
6.根据权利要求1所述的一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤(5)是通过提取单系列铝合金和叠层增材区域的三维微观组织与气孔模拟数据，建立微区内组织与气孔耦合网格模型，设置组织与气孔对应的热物性参数，设置沉积层冷却凝固的初始温度，加载沉积层冷却过程中晶粒尺度级的力学边界条件和增材热源模型，建立单系列铝合金和叠层增材区域冷却过程中组织与气孔的有限元模型，开展热力仿真计算，提取单系列铝合金和异质叠层增材区域内的组织与气孔应力分布结果。
7.根据权利要求1所述的一种异质铝合金层状交替结构激光同轴熔丝增材制造方法，其特征在于，步骤(6)是通过对单系列铝合金和异质叠层增材区域内的组织与气孔应力演化平稳程度及应力分布均匀化程度进行逐渐判定，当不满足相应准则要求时反馈调节增材与激光重熔工艺参数及扫描策略，直至满足要求后输出宏观与微观模拟结果及相应工艺参数和扫描策略，设置保护气流量进行异质铝合金激光同轴熔丝增材制造，对实际增材试样进行宏观与微观裂纹逐渐识别判定，当沉积层出现裂纹时反馈调节相应工艺参数并重新开展仿真计算，直至满足当下准则后进行异质构件服役性能测试和数值判定，当构件显微硬度、拉伸性能和疲劳性能不满足当下准则要求时反馈调节扫描策略，直至全部满足相应指标要求后输出对应增材工艺参数、扫描策略和增材样件。
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