楊來俠,杜 康,徐 超,高 偉,李素麗,2

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

0 引 言

鎳基高溫合金因?yàn)槠淞己玫慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、優(yōu)越的高溫強(qiáng)度和抗氧化性廣泛應(yīng)用于航空航天和能源行業(yè)。目前已成為渦輪葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)盤、燃?xì)廨啓C(jī)等高溫應(yīng)用中不可替代的材料之一。隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)其零部件的功能、結(jié)構(gòu)和性能提出了更加嚴(yán)格的要求,結(jié)構(gòu)成型的一體化有利于提高航空零部件的功能、輕量化和機(jī)械性能。然而,目前仍有30%～40%的航空零部件采用傳統(tǒng)的合金鍛造方法生產(chǎn),加工難度大、工藝復(fù)雜,不能生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)輕量化、質(zhì)量優(yōu)良的整體零部件,這些都制約了航空航天技術(shù)的發(fā)展[1-2]。選擇性激光熔化(SLM)是近年來發(fā)展迅速的增材制造技術(shù)之一,在復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型、輕量化、拓?fù)鋬?yōu)化、材料利用等方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。將SLM制造方法運(yùn)用到航空航天復(fù)雜零部件的生產(chǎn)中,可以為一體化成型的材料和元件生產(chǎn)開辟一條新途徑。

目前,國內(nèi)外SLM成型過程研究主要集中于控制工藝參數(shù)和材料改性來提高成型件的密度和質(zhì)量,但這已不再是主要的瓶頸問題。有別于傳統(tǒng)鑄造、軋制或鍛造制造工藝,增材制造成型過程較為復(fù)雜,SLM打印方向的改變會(huì)引起試件局部力學(xué)性能變化并引起各向異性差異[4-7]。SLM整個(gè)加工過程是一個(gè)非平衡的凝固過程,金屬粉末經(jīng)歷一個(gè)獨(dú)特的熱循環(huán),從快速熔化,快速凝固到重熔,在局部極短的時(shí)間內(nèi)輸入高熱能并相互作用,這決定了材料的均勻性、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。激光束作為強(qiáng)熱源點(diǎn)作用于粉末,使熔池中出現(xiàn)類似錘體的溫度場(chǎng),產(chǎn)生對(duì)流,熔池中熔融態(tài)流體在短時(shí)間內(nèi)被連續(xù)攪拌。因?yàn)榧す狻爸厝邸弊饔?粉末層被反復(fù)熔化且快速冷卻凝固,高致密度的鎳基合金中存在位錯(cuò)及殘余應(yīng)力導(dǎo)致成型件的內(nèi)部裂紋缺陷、幾何形變、各向異性等失效問題。不同打印角度的掃描策略、層間結(jié)合面與掃描區(qū)域大小也不盡相同,這些都會(huì)直接導(dǎo)致SLM成型件與傳統(tǒng)鑄造、軋制或鍛造產(chǎn)品有各向異性及材料性能差異。如何避免這些問題,制造高質(zhì)量成型件一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。

Inconel 625是鎳基高溫合金的一種,它是一種非磁性、耐腐蝕和抗氧化的鎳基合金,在1 100 ℃的溫度范圍內(nèi)具有很高的強(qiáng)度和韌性。目前對(duì)于改變打印角度Inconel 625成型件的各向異性及拉伸強(qiáng)度、應(yīng)力分布還缺乏相關(guān)的評(píng)估與研究。為分析Inconel 625各向異性及整個(gè)拉伸應(yīng)變場(chǎng),單軸拉伸試驗(yàn)過程中采用數(shù)字散斑(Digital Image Correlation,DIC)技術(shù)觀測(cè)拉伸受力過程中成型件全應(yīng)變場(chǎng)變化并提取數(shù)據(jù),通過DIC高速照相機(jī)追蹤特殊標(biāo)記點(diǎn)未變形圖像和變形后圖像間選定的子集進(jìn)行關(guān)聯(lián)進(jìn)而確定位移并建立應(yīng)變場(chǎng)云圖,從而觀測(cè)整個(gè)變形過程中應(yīng)變場(chǎng)的變化。

文章旨在研究不同的打印角度下SLM制造Inconel 625構(gòu)件的材料強(qiáng)度,通過DIC技術(shù)觀察獲得打印角度對(duì)SLM成型件力學(xué)性能及應(yīng)變場(chǎng)影響,分析內(nèi)部各向異性。最后使用電子顯微鏡觀察試件斷口,并分析打印角度對(duì)斷口形貌的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)所用材料Inconel 625粉末來自EOS Gmbh-Electro Optical System公司制造的球磨鎳基合金粉末。表1為Inconel 625粉末的化學(xué)成分。圖1為粉末電鏡圖,粉末表面光滑、有光澤,摩擦力小,具有良好的流動(dòng)性。粉末粒徑范圍為15～53 μm,平均粒徑為35 μm。試驗(yàn)前須將Inconel 625粉末置于110 ℃的干燥箱中烘干2 h。

表1 Inconel 625粉末的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of Inconel 625 (wt%)

圖1 Inconel 625粉末Fig.1 Inconel 625 powder

1.2 試件制備

制備試件的選區(qū)激光熔化設(shè)備由鉑力特公司生產(chǎn),型號(hào)為BLT-210。試驗(yàn)最優(yōu)工藝參數(shù)由正交試驗(yàn)獲得,見表2。成型過程在氬氣環(huán)境下進(jìn)行,打印前預(yù)熱溫度為200 ℃,激光功率控制在350 W,掃描速度為500 mm/s,掃描間隔為70 μm,激光光斑直徑為60 μm,打印層分層厚度保持在0.02 mm,掃描方式選擇傾斜分區(qū)式。

表2 SLM試件制備工藝參數(shù)[8]Table 2 Preparation process parameters for SLM specimen

為研究3D打印試件各向異性差異,分析不同打印角度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及全應(yīng)變場(chǎng)變化,SLM同時(shí)制造三種同工藝參數(shù)、不同打印角度典型拉伸試件。制備過程中試件與設(shè)備基板的夾角分別為0°、45°、90°,如圖2所示。圖3為啞鈴型拉伸試件的尺寸參數(shù),試件長220 mm、厚4 mm,為了避免疲勞開裂及應(yīng)力集中,標(biāo)距段兩邊采用圓倒角半徑10 mm。中部標(biāo)距段長100 mm,每組試驗(yàn)準(zhǔn)備3個(gè)試件,結(jié)果計(jì)算平均值。經(jīng)排水法測(cè)量得致密度為98.65%,表面無缺陷,內(nèi)部有少量孔洞外,其余部分接近完全致密[9-10]。

圖2 試件打印夾角Fig.2 Specimen printing angle

圖3 試件尺寸Fig.3 Specimen size

1.3 試驗(yàn)過程

為驗(yàn)證試驗(yàn)的可重復(fù)性,分別對(duì)Inconel 625試件與SLM設(shè)備基板的打印夾角為0°、45°、90°3種打印方式的試件進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。將試樣記為T-1,T-2,T-3等3組,每組試件進(jìn)行3次測(cè)量并求取平均值,該試驗(yàn)在MTS-LPS105 型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)機(jī)拉伸傳感器進(jìn)度為0.01 kN。通過MTS拉伸機(jī)和DIC等2種方式完成應(yīng)變測(cè)量,采用標(biāo)距為50 mm引伸計(jì)測(cè)量標(biāo)距段的變化,試驗(yàn)過程控制方式選用位移控制拉伸試驗(yàn)設(shè)備,如圖4所示[11-15],拉伸試件前對(duì)標(biāo)距段使用黑色及白色漆進(jìn)行噴繪,獲得隨機(jī)灰度水平表面。DIC試驗(yàn)采用高速攝像機(jī)拍攝,相機(jī)的擺放位置與正確加持后的試件中心位置平齊,每次拉伸前需調(diào)節(jié)相機(jī)焦距,調(diào)整兩側(cè)冷關(guān)燈至合適亮度,查看軟件界面散斑拍攝紫色區(qū)域?yàn)?0%以上,避免過度曝光或補(bǔ)光不足。完成調(diào)試后抓拍一張空載照片建立參考位置,拉伸過程中使用數(shù)字相機(jī)1 s一張拍攝,拍攝像素分辨率為1 280×1 024的圖像,當(dāng)測(cè)試終止至試件斷裂大約產(chǎn)生600～1 000張圖像。隨后使用GOM-Correlation軟件對(duì)試件標(biāo)記段表面進(jìn)行位移的測(cè)量及應(yīng)變計(jì)算,拉伸初始狀態(tài)手動(dòng)拍攝定義初始圖像,開始處理定義范圍內(nèi)標(biāo)距段的網(wǎng)格。由初始圖像相關(guān)聯(lián)決定每個(gè)測(cè)量點(diǎn)在網(wǎng)格上的位移,通過對(duì)比灰度級(jí),獲得標(biāo)距段表面位移場(chǎng)[16-19]。

圖4 DIC性能測(cè)試裝置Fig.4 DIC performance test device

2 結(jié)果和討論

2.1 單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果

首先對(duì)0°角試件進(jìn)行拉伸,隨后對(duì)45°角及90°角打印方向的試件進(jìn)行測(cè)試,圖5為試驗(yàn)數(shù)據(jù)求平均后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及誤差,3次結(jié)果基本一致?？梢钥闯鋈N構(gòu)建類型的曲線趨勢(shì)大致相同,均呈現(xiàn)雙線性特征,初始階段有輕微的J型變形,這可能與材料內(nèi)部缺陷及打印掃描路徑引起的細(xì)小空隙和缺陷相關(guān),0.2%的驗(yàn)證屈服強(qiáng)度為676,612,520 MPa,對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度為1 681,1 587,1 472 MPa[20]。隨著分層角度的增大成型件屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度變小,屈服強(qiáng)度降低22%、抗拉強(qiáng)度降低12%,由此可見小角度打印既能減少分層數(shù)、支撐數(shù),又可以提升試件拉伸強(qiáng)度。

圖5 拉伸結(jié)果及誤差Fig.5 Tensile results and error bars

表3為不同打印方式下拉伸性能對(duì)比。參考ASTM B446-03與GJB 3317A-2008進(jìn)行對(duì)比,ASTM B446-03為常規(guī)退火態(tài)Inconel 625 鍛件的拉伸性能標(biāo)準(zhǔn);GJB 3317A-2008為中國航空高溫合金熱軋板標(biāo)準(zhǔn)。由表3可知,最優(yōu)工藝參數(shù)下,SLM 3種打印方式的拉伸數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)高于以上兩種參考標(biāo)準(zhǔn),可運(yùn)用于航空航天等領(lǐng)域復(fù)雜元件的一體化制造[21]。

表3 拉伸性能對(duì)比Table 3 Comparison of tensile properties

2.2 DIC試驗(yàn)結(jié)果分析

DIC方法拍攝為整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程,每1 s一張,拍攝全程圖片數(shù)量達(dá)上千張,為了縮短GOM-Corrleate軟件處理時(shí)間,對(duì)數(shù)字散斑圖片間隔數(shù)量為50張等距提取,為明顯的表示屈服特征,對(duì)屈服階段的照片進(jìn)行間隔10張?zhí)崛　ｋS后將篩選出的照片重新編號(hào)排序,導(dǎo)入GOM-Correlate軟件進(jìn)行分析,提取試件中段觀測(cè)應(yīng)變?cè)茍D,如圖6所示。

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖7為單軸拉伸引伸計(jì)與DIC方法提取數(shù)據(jù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比,DIC應(yīng)變提取位置為試件標(biāo)距段頸縮的應(yīng)力集中區(qū)域。3組試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比顯示,拉伸機(jī)和DIC數(shù)據(jù)誤差極小,2種測(cè)量方式的應(yīng)力-應(yīng)變曲線屈服點(diǎn)幾乎重合,對(duì)比引伸計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了DIC測(cè)量的一致性和可靠性。DIC測(cè)得屈服強(qiáng)度為639,587,490 MPa,與拉伸機(jī)引伸計(jì)測(cè)得的誤差在5%以內(nèi),且單軸拉伸數(shù)據(jù)為3組試驗(yàn)平均值,所以試驗(yàn)具有可重復(fù)性[22-23]。

圖7 引伸計(jì)與DIC應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of stress-strain curves between extensometer and DIC

2.2.2 DIC云圖應(yīng)變分析

通過采集圖像子區(qū)域中整像素位移搜索法獲得位移場(chǎng)的變化,根據(jù)位移場(chǎng)數(shù)值分析計(jì)算拉伸過程中的應(yīng)變場(chǎng)變化,圖8為應(yīng)變場(chǎng)位移原理。應(yīng)變場(chǎng)的計(jì)算采用最常見的最小二乘法,通過二維一次多項(xiàng)式擬合計(jì)算位移場(chǎng)。

圖8 DIC位移原理Fig.8 Basic schematic diagrams of DIC

自區(qū)域位移函數(shù)如下式

(1)

式中u,v為像素點(diǎn)在x,y方向上的位移分量;(a0,a1,a2),(b0,b1,b2)為多項(xiàng)式系數(shù);εx,εy分別為x,y方向上應(yīng)變。

應(yīng)變分量計(jì)算如下式

(2)

圖9～圖11為3類試件DIC應(yīng)變場(chǎng)分布變化云圖。其中圖9為0°角打印試件應(yīng)變場(chǎng)云圖。從圖9可以看出,試件拉伸至300 s時(shí),標(biāo)距段中心區(qū)域首先出現(xiàn)應(yīng)變,隨著試驗(yàn)不斷推進(jìn),標(biāo)距段應(yīng)變呈現(xiàn)向中心區(qū)域集中的趨勢(shì)。當(dāng)拉伸時(shí)間至440 s時(shí)刻時(shí),如圖9(c)所示,應(yīng)力集中區(qū)域逐漸開始頸縮,并從中心向兩側(cè)擴(kuò)展。

圖9 0°角打印試件應(yīng)變場(chǎng)分布變化云圖Fig.9 Nephogram of strain field distribution of 0° specimen

頸縮邊緣附近散斑由于無法承受局部變化的塑性形變開始出現(xiàn)破裂,散斑噴漆脫落失效,頸縮現(xiàn)象向兩側(cè)擴(kuò)展直至試樣斷裂;圖9(c)當(dāng)接近拉伸斷裂時(shí)刻(約560 s)散斑脫落區(qū)域繼續(xù)增大,邊緣已基本失效,這也導(dǎo)致此處的DIC測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失。從DIC測(cè)量的應(yīng)變數(shù)值來看,試件中部變形量最大,在DIC測(cè)量應(yīng)變未失效之前隨著外載荷的增加應(yīng)力集中區(qū)域不斷增大,紅色應(yīng)變區(qū)域斷裂前最大應(yīng)變0.487左右。應(yīng)力集中及斷裂部位位于標(biāo)距段中部,與傳統(tǒng)成型件拉伸斷裂現(xiàn)象基本一致[24]。

圖10為45°角打印試件應(yīng)變?cè)茍D,從圖10可以看出,應(yīng)力隨著試驗(yàn)推進(jìn)出現(xiàn)了多條應(yīng)力集中帶,與其構(gòu)建方式的45°分層夾角基本一致。說明在拉伸過程中應(yīng)力會(huì)集中于分層結(jié)合處,這可能與過度燒結(jié)及分層搭接率相關(guān)。

圖10 45°角打印試件應(yīng)變場(chǎng)分布變化云圖Fig.10 Nephogram of strain field distribution of 45° specimen

圖11為90°角打印試件應(yīng)變場(chǎng)云圖,對(duì)比圖11的變化,隨著試驗(yàn)推進(jìn),出現(xiàn)了多條橫向應(yīng)力集中帶,與打印試件的鋪粉分層平行。結(jié)合45°角打印應(yīng)力集中帶分布情況分析,說明構(gòu)建過程中的分層方向會(huì)直接影響3D打印件各向異性的形成與應(yīng)力集中帶的角度,這也是SLM各向異性現(xiàn)象形成的基本原因[25-26]。

圖11 90°角打印試件應(yīng)變場(chǎng)分布變化云圖Fig.11 Nephogram of strain field distribution of 90° specimen

2.3 強(qiáng)度分布曲線分析

結(jié)合DIC可獲得拉伸標(biāo)距段屈服強(qiáng)度分布曲線,如圖12所示,距中心距離±30 mm為監(jiān)測(cè)區(qū)域。從圖12可以看出三類結(jié)果存在明顯差異。GOM-Corrleate軟件選擇線分析提取標(biāo)距段應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)0°角打印斷裂附近應(yīng)力分布較為規(guī)律,斷裂頸縮最初也出現(xiàn)在峰值應(yīng)力處,峰值兩側(cè)應(yīng)力逐漸下降,最低降至中心峰值應(yīng)力的60%。45°角打印與90°角打印試件屈服強(qiáng)度分布多為起伏波動(dòng)形式,斷裂處峰值為520,612 MPa,峰值兩側(cè)與裂紋初始處均呈現(xiàn)起伏波動(dòng)。對(duì)比DIC云圖發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波動(dòng)處為應(yīng)力集中帶位置。0°角打印試件斷裂位置附近的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)完整,頸縮伸長量也大于其它兩類試件。這是由于激光熔化結(jié)合強(qiáng)度較高、內(nèi)部結(jié)合致密,所以在SLM制備成型件時(shí),建議減少分層厚度,應(yīng)多采用平鋪的方式進(jìn)行切片打印,不僅可以減少應(yīng)力集中帶各向異性的出現(xiàn),也能獲得力學(xué)性能更優(yōu)的成型件。

3 微觀分析

圖13為不同打印角度試件的SEM斷口形貌。圖13(a)所示為0°角斷口形貌,高倍數(shù)電鏡掃描下斷口存在大量深度較淺且尺寸小而均勻的韌窩,這是因?yàn)?°角打印方式下層與層結(jié)合緊密未出現(xiàn)層間斷裂。拉伸過程中0°角打印試件比90°角方式的塑性變形量大,伸長率也高于其他兩類打印方式。觀察圖13(b)、(c)斷口形貌,斷口表面較為整齊,并未出現(xiàn)細(xì)小的韌窩,可以清晰地觀察到試件的分層,材料斷口相對(duì)整齊,斷口多出現(xiàn)于層間結(jié)合面及應(yīng)力集中帶。分層間隙可見有少量細(xì)小裂紋、孔隙,這是由于材料熔化后,層間邊界的搭接不足引起的。經(jīng)排水法測(cè)得試件致密度為98.65%,材料內(nèi)部較為致密,但仍存在少量的孔洞和缺陷,這些孔洞是在熔池搭接的邊界中產(chǎn)生?？障度毕莸男纬墒且?yàn)镾LM制備過程中有氬氣流,粉末會(huì)捕獲氣體形成孔隙,熔化過程中熔融態(tài)金屬的飛濺也會(huì)形成缺陷增大孔隙率。除氣體孔隙外,影響致密度的來源還包括分層未熔合和粉末未熔等原因,這些都直接影響SLM試件的力學(xué)性能。

圖13 不同打印角度試件的SEM斷口形貌Fig.13 SEM fracture morphologies of specimens with different printing angles

4 結(jié) 論

1)針對(duì)3種不同打印角度的SLM試件,通過單軸拉伸獲得Inconel 625應(yīng)力-應(yīng)變曲線。屈服強(qiáng)度為676,612,520 MPa,對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度為1 681,1 587,1472 MPa,均高于Inconel 625的標(biāo)準(zhǔn)值。

2)基于DIC得到SLM成型Inconel 625三類試件的全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D,拉伸過程中出現(xiàn)分層方向一致的應(yīng)變帶和應(yīng)力集中區(qū)域。0°角打印強(qiáng)度分布規(guī)律,45°角與90°角打印強(qiáng)度分布存在一定的離散性。

3)SLM Inconel 625成型件斷裂模式為韌性斷裂。拉伸后0°角打印試件斷口處有小而均勻的韌窩,而其他2類打印方式斷口多發(fā)生于分層結(jié)合面,斷口平滑整齊。