Design Methods Used to Minimize Residual Stresses in Direct Laser Deposition

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Зачастую в процессе изготовления изделий методами прямого лазерного выращивания (ПЛВ) и селективного лазерного плавления (СЛП) происходит их разрушение [1]. Причиной этого является неблагоприятное сочетание металлургических факторов и высокий уровень возникающих напряжений. Стремление к повышению производительности процесса наплавки требует повышения скорости перемещения технологической головки, что приводит к увеличению скорости охлаждения наплавляемого металла. В результате при наплавке закаливающихся материалов, таких как титановые сплавы и высокопрочные стали, пластичность наплавляемого металла может снижаться практически до нуля [1, 2].

Множество работ было посвящено выбору оптимальных технологических параметров процесса, обеспечивающих формирование благоприятного структурно-фазового состава и высоких механических свойств [3, 4]. Предлагаемые подходы к решению данной задачи сводятся к определению оптимальной межпроходной температуры и демонстрируются при изготовлении наплавок небольших габаритов. При изготовлении крупногабаритных промышленных конструкций, когда время наплавки одного прохода может достигать 400 с [5], обеспечить заданный уровень межпроходной температуры невозможно. Отсюда следует простой вывод — если невозможно изменить структурно-фазовый состав наплавляемого металла, то для предотвращения разрушения наплавки необходимо снизить уровень напряжений и деформаций [6–8]. Для снижения временных и остаточных напряжений применяются различные подходы, которые можно разделить на технологические и конструкционные.

Технологический подход к снижению напряжений при АП основан на подборе оптимальной межпроходной температуры и оптимальной последовательности заполнения слоев. Как хорошо известно из сварочной практики, наличие равномерного подогрева свариваемой конструкции приводит к снижению уровня напряжений [9, 10]. Следует отметить, что данный подход применим только для конструкций небольшого размера, которые не успевают существенно охлаждаться в процессе наплавки проходов. Использование предварительного и/или сопутствующего подогрева при наплавке крупногабаритных конструкций сопряжено с большими трудностями и в настоящий момент не применяется. К технологическим подходам можно также отнести методы внешнего механического воздействия за счет высокоскоростного пластического деформирования наплавляемого изделия пневматическими молотами [11] или за счет обкатки роликами [12, 13]. Применение данного способа ограничивается рамными конструкциями небольшой высоты, обладающими высокой жесткостью.

К конструктивным методам снижения напряжений можно отнести:

1. Снижение жесткости подложки.
2. Локальное изменение геометрии наплавляемого изделия.
3. Локальное изменение химического состава наплавки т.е. формирование градиента механических свойств.

Первый подход сопряжен с рядом технологических трудностей. Так, в статье [8] отмечается, что использование гибкой подложки приводит к ее существенному деформированию и, как следствие, перемещению наплавки в процессе изготовления. Для снижения напряжений в наплавляемую конструкцию могут быть добавлены различные плавные переходы в местах концентрации напряжений, поддержки и ребра жесткости. Два последних варианта применимы для снижения остаточных деформаций тонкостенных оболочек [14–16], но не для снижения напряжений. Для снижения напряжений и деформаций при наплавке типо стенка можно к торцам добавить галтели различной геометрии. Другим способом снижение напряжений является использование переходного слоя из менее прочного, но более пластичного, сплава между жесткой подложкой и самой изготавливаемой конструкуцией из сплава с низкой пластичностью. Технология ПЛВ позволяет получать заданную величину градиента химического состава и механических свойств непосредственно в процессе изготовления изделия [17].

Целью статьи является теоретический анализ эффективности использования предложенных методов локального изменения геометрии наплавки, а также локального изменения химического состава, для снижения остаточных напряжений и деформаций наплавок, симулирующих условия получения крупногабаритных конструкций методами ПЛВ. Анализируются наплавки типа стенка из сплава Ti-6Al-4V с двумя вариантами галтелей на торцах: плоскими и вогнутыми. Также рассмотрена наплавка типа стенка без галтелей с градиентным переходов от мягкой прослойки из чистого титана к существенно более прочному сплава Ti-6Al-4V. Применение данных подходов при ПЛВ в условиях низкой межпроходной температуры, моделирующее наплавку реальных промышленных конструкций, в литературе не описано, а затрагиваемая проблематика является актуальной для внедрения технологии ПЛВ высокопрочных сплавов.

МЕТОДЫ

1. Геометрия наплавок

В раннее опубликованной автором статье [8] экспериментально и теоретически проанализировано поле остаточных напряжений и деформаций в наплавке из сплава Ti-6Al-4V размерами 70 × 3,2 × 28 мм (длина × толщина × высота), полученной методом ПЛВ в условиях, симулирующих изготовление крупногабаритной конструции. В настоящей статье исследуется наплавка аналогичной длины и толщины, но удвоенной высоты (см. рис. 1, a), полученная в аналогичных температурно-временных условиях. Прямое лазерное выращивание стенки осуществлялось на торце пластины толщиной 12 мм из сплава Ti-6Al-4V (рис. 1, а). Каждый наплавленный слой включал 1 проход высотой 0,56 мм и шириной 3,2 мм. Технологические параметры процесса ПЛВ были следующими: мощность лазерного излучения 2300 Вт; диаметр пятна 1,5 мм; амплитуда боковых колебаний луча 1,25 мм; скорость перемещения 30 мм/с; расход порошка 24 г/мин; расход газа 25 л/мин. Траектория наплавки образца предполагала выполнение всех проходов в одном направлении. После выполнения каждого прохода наплавка охлаждалась за счет конвекции и теплопроводности до температуры менее 100 °С.

 

Рис. 1. Схемы вариантов анализируемых наплавок: базовый вариант (а); наплавка с мягкой прослойкой (b); наплавка с плоскими (с) и вогнутыми (d) галтелями.

Fig. 1. Alternative design layouts of the analyzed deposits: basic design (а); deposit with a soft interlayer (b); deposit with flat (с) and concave (d) fillets.

 

Для минимизации напряжений и деформаций в рассматриваемой наплавке в местах концентрации напряжений на торцах стенки добавлены галтели, как показано на рис. 1, c, d. Анализируются следующие варианты галтелей: плоские галтели с катетом 14 и 28 мм (рис. 1, с); вогнутые галтели с радиусом 14 и 28 мм (рис. 1, d). В качестве альтернативного способа минимизации напряжений предложено выполнять несколько первых слоев, примыкающих к жёсткой подложке, из сплава с меньшими прочностными свойствами, например, из технически чистого титана (CP-Ti Grade 2) (см. рис. 1, b). Рассматривается два варианта протяженности мягкой прослойкой: 5 наплавленных слоев суммарной высотой 2,8 мм и 10 наплавленных слоев суммарной высотой 5,6 мм.

2. Численное моделирование процесса ПЛВ

Для определения напряжений и деформаций в процессе ПЛВ использована ранее предложенная и экспериментально верифицированная расчетная модель, краткое описание основных особенностей и допущений которой представлено ниже. Последовательно связанные задачи теплопроводности в нестационарной постановке и квазистационарная задача термопластичности были решены методом конечных элементов (МКЭ). Поперечное сечение каждого из проходов представляло собой прямоугольник, размеры которого соответствовали замеренным по макрошлифу усредненной ширине и высоте проходов экспериментально полученной наплавки. Для моделирования процесса последовательной наплавки слоев была использована техника «рождения и смерти» элементов. Перед началом расчета элементы, соответствующие наплавляемому металлу деактивировались. Последовательная активация элементов производилась согласно экспериментальной траектории наплавки изделия. Обработка полученных результатов и их визуализация производилась в программном обеспечении Matlab. Примеры расчетных сеток показаны на рис. 2. Как видно, расчетная сетка измельчена в области галтелей для точного учета их формы. Например, для наплавки с плоскими галтелями на торцах расчётная сетка содержала 168 680 гексаэдрных 8-узловых элементов и 181 194 узлов (см. рис. 2). Расчетное время в этом случае составило 133 часа для задачи теплопроводности и 216 часов для задачи механики деформируемого твердого тела при использовании 64 Gb RAM Windows PC с процессором AMD Ryzen Threadripper 1920X 12-core (3.50 GHz).

 

Рис. 2. Примеры конечно-элементных сеток, использованных в расчетах.

Fig. 2. Examples of finite element meshes used in designs.

 

Модель мультилинейного изотропного упрочнения без учета ползучести была использована. Механические свойства наплавки из сплава Ti-6Al-4V были определены экспериментально [18] за исключением коэффициента Пуассона, принятого согласно [19]. Механические свойства подложки, изготовленной из деформированного сплава Ti-6Al-4V, отличались от наплавки только температурной зависимостью модуля Юнга, взятого из [19]. Температурные зависимости теплофизических свойств, таких как теплоемкость, теплопроводность, плотность, были взяты одинаковыми для всей модели согласно [20]. Механические и теплофизические свойства технически чистого титана (Cp-Ti Grade 2) взяты из [20–22].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Поле остаточных напряжений и деформаций при наплавке стенки без галтелей

Увеличение высоты наплавки в 2 раза по сравнению с раннее проанализированной в [8] не приводит к изменению характера распределения продольных напряжений σ_x вблизи вершины наплавки (рис. 3, а). Основные изменения наблюдаются в средней части наплавки, где формируется область сжимающих напряжений σ_x. Практически во всем объеме наплавки продольные напряжений изменяются в пределах ±200 МПа. Сравнение полученных полей нормальных напряжений σ_z (рис. 3, b, d) с представленными в [8] для наплавки высотой 28 мм показали, что увеличение высоты приводит к расширению области концентрации растягивающих напряжений σ_z, превышающих предел текучести. На левом торце, где начинается наплавка слоев, эта область достигает половины высоту наплавки, а на противоположном торце уже захватывает 80% высоты. Расширение областей растягивающих напряжений у торцов наплавки может быть уравновешено только за счет увеличения уровня сжимающих напряжений в центре наплавки. Накопленные пластические деформации при увеличении высоты стенки в два раза увеличиваются лишь на 1,1% (рис. 3, c, d). Максимальная величина деформаций, составляющая 7%, превышает пластичность сплава Ti-6Al-4V, полученного методом ПЛВ [18]. На практике локальная пластичность металла вблизи массивной подложки будет ниже, чем у остальной наплавки, вследствие более высокой скорости охлаждения. Это является причиной отрыва торцов наплавки от подложки.

 

Рис. 3. Поля остаточных продольных (a) и нормальных (b) напряжений, накопленных пластических деформаций (c, d) в наплавке из сплава Ti-6Al-4V без галтелей.

Fig. 3. Fields of residual longitudinal (a) and normal (b) stresses and accumulated plastic deformations (c, d) in a Ti-6Al-4V deposit without fillets.

 

2. Напряжения и деформации в наплавке с плоскими галтелями на торцах

Добавление на торцах плоских галтелей не приводит к существенному изменению характера распределения продольных напряжений, как видно на рис. 4, а, c. Можно отметить уменьшение областей, в которых растягивающие напряжения σ_x превышают предел текучести. Вблизи поверхности галтелей формируются области растягивающих напряжений σ_x, не превышающих 600 МПа. Наибольшее изменение претерпевает распределение нормальных напряжений. Как видно из рис. 4, b, d, области концентрации растягивающих напряжений σ_z на торцах наплавки отдаляются от подложки на величину равную катету галтели. Причем чем больше величина катета, тем меньше размеры этих областей. Наличие галтелей оказывает незначительное влияние на величину накопленных пластических деформаций (рис. 4, e, f). Увеличение катета в 2 раза приводит к снижению пластических деформаций на 20%, а по сравнению с прямой стенкой — лишь на 30%. Удаление областей концентрации напряжений и деформаций от подложки должно оказать положительный эффект на пластичность наплавляемого металла за счет более плавного охлаждения. Недостатком данного конструктивного решения является необходимость наплавки значительного объема дополнительного металла.

 

Рис. 4. Поля остаточных продольных (а, c) и нормальных (b, d) напряжений, накопленных пластических деформаций (e, f) в наплавке из сплава Ti-6Al-4V с плоскими галтелями катетом 14 мм (a, c, e) и 28 мм (b, d, f) на торцах.

Fig. 4. Fields of residual longitudinal (а, c) and normal (b, d) stresses and accumulated plastic deformations (e, f) in a Ti-6Al-4V deposit with flat fillets with a leg length of 14 mm (a, c, e) and 28 mm (b, d, f) at the ends.

 

3. Напряжения и деформации в наплавке с вогнутыми галтелями на торцах

Показанные на рис. 5, а, c поля продольных напряжений не отличаются по характеру распределения от описанных п. 1 и 2. Можно отметить увеличение областей растягивающих напряжений, формирующихся вблизи перехода от галтелей к подложке. Из рис. 5, b, d видно, что области концентрации растягивающих нормальных напряжений и накопленных пластических деформаций смещены от подложки в вертикальном направлении. При радиусе галтели 14 мм смещение составляет примерно 8 мм, а при радиусе 28 мм уже 20 мм. Уровень пластических деформаций существенно ниже, чем в случае плоских галтелей. Вогнутые галтели приводят к снижению пластических деформации по сравнению с наплавкой без галтелей в 2,8 раза при радиусе галтели 14 мм и в 5,83 раз при радиусе галтели 28 мм. Можно с уверенностью утверждать, что при наличии вогнутых галтелей разрушение наплавки не произойдет.

 

Рис. 5. Поля остаточных продольных (а, c) и нормальных (b, d) напряжений, накопленных пластических деформаций (e, f) в наплавке из сплава Ti-6Al-4V с вогнутыми галтелями радиусом 14 мм (a, c, e) и 28 мм (b, d, f) на торцах.

Fig. 5. Fields of residual longitudinal (а, c) and normal (b, d) stresses and accumulated plastic deformations (e, f) in a Ti-6Al-4V deposit with concave fillets with a radius of 14 mm (a, c, e) and 28 mm (b, d, f) at the ends.

 

4. Напряженно-деформированное состояние наплавки с градиентным переходом

Наличие менее прочной, но более пластичной прослойки приводит к неоднородному деформированию наплавки (рис. 6). Очаги пластического деформирования находятся на торцах наплавки в области мягкой прослойки из технически чистого титана, имеющей более низкое значение предела текучести, чем сплав Ti-6Al-4V. Накопленные пластические деформации здесь достигаю 12,2% и мало изменяются при увеличении вдвое ширины прослойки. Поскольку экспериментально замеренная пластичность чистого титана, полученного ПЛВ, составляет 24,5% [22] можно предположить, что в данных областях не возникнет разрушение. Чем тоньше мягкая прослойка, тем больше величина градиента пластических деформаций и тем выше степень трехосности напряженного состояния. Более прочная часть наплавки из сплава Ti-6Al-4V практически не претерпевает пластического деформирования в обоих рассмотренных случаях. Уровень нормальных напряжений и протяженность областей концентрации нормальных напряжений в этой части наплавки существенно меньше, чем в наплавке только из сплава Ti-6Al-4V (см. п. 1).

 

Рис. 6. Поля остаточных нормальных напряжений (а, с) и накопленных пластических деформаций (b, d) в наплавке с первыми 5 (a, b) и 10 (c, d) слоями из чистого титана.

Fig. 6. Fields of residual normal stresses (а, с) and accumulated plastic deformations (b, d) in a deposit with the first 5 (a, b) and 10 (c, d) layers of pure titanium.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Плоские галтели оказывают незначительное влияние на величину остаточных напряжений и накопленных пластических деформаций. Увеличение катета в 2 раза с 14 мм до 28 мм приводит к снижению пластических деформаций на 20%, а по сравнению с наплавкой без галтелей — лишь на 30%. Удаление областей концентрации напряжений и деформаций от подложки на величину равную катету галтели должно оказать положительный эффект на пластичность наплавляемого в этой области металла за счет более плавного охлаждения.

Вогнутые галтели приводят к снижению пластических деформации по сравнению с наплавкой без галтелей в 2,8 раза при радиусе галтели 14 мм и в 5,83 раз при радиусе галтели 28 мм. Можно с уверенностью утверждать, что при наличии вогнутых галтелей на торцах разрушение наплавки не произойдет.

Наличие менее прочной, но более пластичной прослойки между жесткой подложкой и наплавкой из более прочного сплава приводит к неоднородному деформированию наплавки. Максимальный уровень накопленных пластических деформаций достигается на торцах наплавки в области мягкой прослойки и мало зависит от протяженности прослойки. Более прочная часть наплавки из сплава Ti-6Al-4V практически не претерпевает пластического деформирования.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. С.Ю. Иванов — поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, редактирование текста рукописи, создание изображений, экспертная оценка, утверждение финальной версии. Автор несет ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Источники финансирования. Исследование было профинансировано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках программы исследовательского центра мирового уровня: Передовые цифровые технологии (контракт № 075-15-2022-312 от 20 апреля 2022 г.).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали один рецензент, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: Sergey Yu. Ivanov: investigation, writing — original draft, writing — review & editing, visualization, expert review, validation. The author approved the version of the manuscript to be published and agrees to be accountable for all aspects of the work, ensuring that issues related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Funding sources: The study was funded by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under the World-Class Research Center Program for Advanced Digital Technologies (contract No. 075-15-2022-312 dated April 20, 2022).

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review process involved one external reviewer, a member of the editorial board, and the in-house scientific editor.

作者简介

Sergey Ivanov

Institute of Laser and Welding Technologies of the Saint Petersburg State Marine Technical University

编辑信件的主要联系方式.
Email: sergei.yu.ivanov@gmail.com
SPIN 代码: 1072-8503

Researcher, Applicant

俄罗斯联邦, 38a, Marshal Zhukov Ave., Saint Petersburg, 198262

参考

补充文件