一种减少基材-增材体界面残余应力的方法
阅读说明：本技术 一种减少基材-增材体界面残余应力的方法 (Method for reducing residual stress of substrate-additive body interface ) 是由 虞文军 王大为 王少阳 荣鹏 唐维之 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种减少基材-增材体界面残余应力的方法,涉及激光送粉增材制造技术领域,包括以下步骤：步骤S1：在基材制备阶段,将基材-增材体界面周边的基材材料去除,在界面上形成凸台结构；步骤S2：使增材体在凸台结构上进行生长,并将增材体底部与基材界面的过渡区设计成圆角过渡结构,再开展增材制造；步骤S3：对基材-增材体制件进行机械加工,本发明具有可减小激光增材制造过程基材-增材体界面的残余应力,从而减少制件的变形、开裂趋势的优点。(The invention discloses a method for reducing residual stress of a substrate-additive interface, which relates to the technical field of laser powder feeding additive manufacturing and comprises the following steps: step S1: in the preparation stage of the base material, the base material at the periphery of the interface of the base material and the additive body is removed, and a boss structure is formed on the interface; step S2: growing the additive body on the boss structure, designing a transition area between the bottom of the additive body and the interface of the base material into a fillet transition structure, and then performing additive manufacturing; step S3: the method has the advantages that the residual stress of the interface of the substrate and the additive body in the laser additive manufacturing process can be reduced, so that the deformation and cracking tendency of the workpiece is reduced.)
技术领域
本发明涉及激光送粉增材制造技术领域，具体涉及一种减少基材-增材体界面残余应力的方法。
背景技术
激光同步送粉增材制造(也称激光立体成形)是一种可用于快速成形、损伤修复的柔性制造技术。通过向金属基材表面喷送金属粉末，同时使用激光熔融基材及金属粉末颗粒，实现逐层堆积，用算机程序控制堆积的形状，成特定外形的零件毛坯。相对于传统制造技术，激光同轴送增材制造技术不需要另行制作模具，成形速率较激光选区熔融(SL)技术更高。将激光同步送粉增材制造与传统的轧制、锻造制造工艺结合起来，在板材、锻件基础上增材制造零件的附加微小结构，可充分利用板材、锻件基材的优良力学性能，同时结合激光同步送粉增材制造的灵活性提高制件毛坯的材料利用率、生产效率。
但是，基材-增材体界面由于激光束扫描后熔化、堆积、凝固，会与基材本身产生显著的温度梯度，不可避免地形成极大的残余应力，会造成基材变形甚至界面开裂，还会造成零件加工过程中由于应力释放带来的变形。现有技术主要考虑减少增材体自身的残余应力，如申请号为“CN202010238130.4”的发明专利公开了“一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法”等，对基材-增材体界面残余应力控制还是缺乏更进一步的措施，导致制件容易形成变形、开裂等缺陷。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种减少基材-增材体界面残余应力的方法，以达到可减小激光增材制造过程基材-增材体界面的残余应力，从而减少制件的变形、开裂趋势的作用。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种减少基材-增材体界面残余应力的方法，包括以下步骤：
步骤S1：在基材制备阶段，将基材-增材体界面周边的基材材料去除，在界面上形成凸台结构；
步骤S2：使增材体在凸台结构上进行生长，并将增材体底部与基材界面的过渡区设计成圆角过渡结构，再开展增材制造；
步骤S3：对基材-增材体制件进行机械加工。
优选地，所述步骤S1具体包括：
步骤S11：根据拟加工的零件结构选择基材对应的尺寸规格，确定基材上的加工余量H；
步骤S12：根据零件增材体特征、形状及尺寸，确定增材体投影尺寸X；
步骤S13：在确定的基材位置及投影尺寸X范围外，局部或在整个平面上去除厚度为h的基材材料，令h＜H，形成截面尺寸为X*h的凸台结构。
优选地，在步骤S12中，所述投影尺寸X包括零件自身宽度、增材体加工余量以及基材-增材体的过渡圆角半径。
优选地，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：根据确定的零件增材体尺寸外形，设计基材上增材体外形结构，并将基材-增材体的过渡区设计成圆角过渡结构；
步骤S22：设计增材体三维数模，并将增材体三维数模导入切片软件切片，编制增材制造程序导入激光同轴送粉增材制造设备，并开展增材制造。
优选地，在步骤S22中，设计增材体三维数模时，采用的三维软件为CATIA。
优选地，在步骤S12中，所述零件为轧制板材或锻件。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过在增材制造区域对应的基材上构建一个周围无约束的凸台结构，从而减少基材表面在激光扫描受热膨胀、冷却收缩过程中周边材料的挤压、拉伸作用，同时将增材体底部与基材界面的过渡区由直角改为圆角过渡结构，减少基材-增材体过渡区的应力集中，进一步降低界面的残余应力，通过凸台结构和圆角过渡结构的协同作用，可大大减小激光增材制造过程基材-增材体界面的残余应力，从而减少制件的变形、开裂趋势。
2、基于本发明方法，有助于提高传统增材制造复合构件中增材体的制作厚度，从而减少传统制造板材、锻件的体积占比，提高材料利用率；在制件后处理过程中，由于残余应力水平降低，能够减少消除残余应力退火所需的时间，节省能源；同时可简化后续机械加工的变形控制方案，提高生产效率；还可节省设备改装费用，对不具备基材加热功能的激光同轴送粉增材制造设备，通过采用该凸台和圆角结合的过渡结构能够达到与加热基材相似的降低界面应力效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明中的基材-增材体结构示意图；
图2为本发明在确定加工余量H时的示意图；
图3为本发明在确定增材体投影尺寸X时的示意图；
图4为本发明在设计出加工凸台结构时的示意图；
图5为本发明在进行增材制造时的示意图；
图6为本发明在具体实施例中的尺寸对应关系示意图；
图7为采用不同基材-增材体结构试件进行残余应力测试的试样结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例1
如图1-6所示，本实施例提供一种减少基材-增材体界面残余应力的方法，包括以下步骤：
步骤S1：在基材制备阶段，将基材-增材体界面周边的基材材料去除，在界面上形成凸台结构；
步骤S2：使增材体在凸台结构上进行生长，并将增材体底部与基材界面的过渡区设计成圆角过渡结构，再开展增材制造；
步骤S3：对基材-增材体制件进行机械加工。
本实施例中，通过在增材制造区域对应的基材上构建一个周围无约束的凸台结构，从而减少基材表面在激光扫描受热膨胀、冷却收缩过程中周边材料的挤压、拉伸作用，同时将增材体底部与基材界面的过渡区由直角改为圆角过渡结构，减少基材-增材体过渡区的应力集中，进一步降低界面的残余应力，通过凸台结构和圆角过渡结构的协同作用，可大大减小激光增材制造过程基材-增材体界面的残余应力，从而减少制件的变形、开裂趋势。
具体地，所述步骤S1具体包括：
步骤S11：根据拟加工的零件结构选择基材对应的尺寸规格，确定基材上的加工余量H；
步骤S12：根据零件增材体特征、形状及尺寸，确定增材体投影尺寸X；
步骤S13：在确定的基材位置及投影尺寸X范围外，局部或在整个平面上去除厚度为h的基材材料，令h＜H，形成截面尺寸为X*h的凸台结构。
具体地，在步骤S12中，所述投影尺寸X包括零件自身宽度、增材体加工余量以及基材-增材体的过渡圆角半径。
通过具体给出凸台结构的设计方案，使制得的凸台结构更加规范化，科学高效，具有一定指导意义，为后续减少基材-增材体界面残余应力打下了核心基础。
具体地，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：根据确定的零件增材体尺寸外形，设计基材上增材体外形结构，并将基材-增材体的过渡区设计成圆角过渡结构；
步骤S22：设计增材体三维数模，并将增材体三维数模导入切片软件切片，编制增材制造程序导入激光同轴送粉增材制造设备，并开展增材制造。
通过设计好的增材体三维数模来进行增材制造，制造工艺更加规范化，可保证高精度的工艺要求。
具体地，在步骤S22中，设计增材体三维数模时，采用的三维软件为CATIA，操作方便快捷，提高效率。
具体地，在步骤S12中，所述零件为轧制板材或锻件。
需要说明的是，本发明可结合申请号为“CN202010238130.4”的发明专利“一种基于原位应力释放模型的修复路径优化方法”，能够极大地降低界面的残余应力，其经济利益体现在：
(1)有助于提高传统增材制造复合构件中增材体的制作厚度，从而减少传统制造板材、锻件的体积占比，提高材料利用率；
(2)在制件后处理过程中，由于残余应力水平降低，能够减少消除残余应力退火所需的时间，节省能源；
(3)可简化后续机械加工的变形控制方案，提高生产效率；
(4)可节省设备改装费用，对不具备基材加热功能的激光同轴送粉增材制造设备，通过采用该凸台和圆角结合的过渡结构能够达到与加热基材相似的降低界面应力效果。
实施例2
如图1-6所示，本实施例是基于实施例1的具体实施例，提供一种减少基材-增材体界面残余应力的方法，包括以下步骤：
步骤1：将零件的主要受力部位设计于锻件或板材区域内，根据零件主体结构选择轧制板材、锻件基材规格、尺寸，确定基材上的加工余量H＝10mm；
步骤2：零件耳片采用增材体加工而来，耳片宽度A＝50mm，增材体侧面加工余量W＝6mm，基材-增材体的过渡圆角半径R＝5mm，增材体投影尺寸X＝5mm+6mm+50mm+6mm+5mm＝72mm；
步骤3：在耳片中心线±36mm范围外，在整个平面上去除厚度h＝5mm的基材材料，以确保零件足够的超声波探伤余量和零件的可加工性，形成截面尺寸为72*5mm的凸台结构；
步骤4：在CATIA中设计基材上增材体三维数模，并将基材-增材体的过渡处设计为5mm圆角结构。将设计好的增材体三维数模导入切片软件切片，编制增材制造程序导入激光同轴送粉增材制造设备，完成增材制造；
步骤5：对制件进行机械加工。
试验检测：
以钛合金锻件TC4为基材，增材体激光扫描功率均采用1.6KW，光斑直径、扫描速度分别采用6mm+800mm/min、3mm+1100mm/min两种，基材-增材体界面分别采用直角过渡、凸台过渡、圆角过渡结构，这三种过渡结构的测试试样实体结构分别如图7中A、B、C所示，采用凸台+圆角过渡结构的测试试样实体结构如图7中D所示，并采用X射线法测得对应过渡结构基材-增材体界面残余应力，测试结果如下表1所示：
表1界面残余应力测试结果表
由表1可见，在相同基材、增材体外形、制件预处理及后处理条件下，通过采用基材-增材体界面凸台过渡结构，能够在不同的激光扫描参数下均显著降低界面的残余应力；如图7所示，通过将凸台+圆角过渡结构结合，能够大大降低界面的残余应力，从而减少制件的变形、开裂趋势，制得的制件缺陷明显降低。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。