供稿人：曹福升 魯中良 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2023-03-28
鋁合金是常見(jiàn)的增材制造材料，因?yàn)樗鼈兙哂懈弑葟?qiáng)度和低密度。但是AM產(chǎn)品的抗斷裂性和抗疲勞性顯著降低，缺陷和拉伸殘余應(yīng)力已成為L(zhǎng)-DED制造的鋁合金廣泛應(yīng)用的主要障礙。激光沖擊強(qiáng)化（LSP）是一種表面改性技術(shù)，通過(guò)誘導(dǎo)高振幅壓殘余應(yīng)力（CRS）和硬化表面來(lái)改善機(jī)械性能。目前，由原位同步LSP輔助的混合定向能量沉積尚未報(bào)道。武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院的Jiantao Zhou研究首次采用原位激光沖擊強(qiáng)化法，改善L-DED制造的AlSi10Mg合金的表面質(zhì)量和力學(xué)性能。此外，詳細(xì)研究了表面LSP (SLSP) 和逐層LSP (LLSP) 處理對(duì)L-DED制備AlSi10Mg樣品的表面質(zhì)量、殘余應(yīng)力、顯微組織和力學(xué)性能的影響。
圖1顯示了L-DED工藝與原位同步LSP的示意圖?；旌洗蛴」に囉稍?LSP 和 L-DED 制造系統(tǒng)組成。前者包括低能量（mJ級(jí)）脈沖激光源、高頻（kHz級(jí)）和平面偏振器系統(tǒng)。后者包括連續(xù)激光束和粉末進(jìn)料器。在混合打印過(guò)程中，脈沖LSP被施加到印刷層的上表面，而沒(méi)有涂層。LSP設(shè)備安裝在打印頭上，以確保在打印過(guò)程中LSP處理的同步應(yīng)用，直到零件完全構(gòu)建。脈沖沖擊和連續(xù)激光光斑之間的偏移距離約為5毫米，大于L-DED制造的常見(jiàn)合金熔池的長(zhǎng)度，以確保對(duì)凝固區(qū)域的影響。
圖1 由原位同步 LSP 輔助的 L-DED 工藝示意圖
圖2顯示了不同樣品的表面粗糙度值。在L-DED過(guò)程中，由熔池內(nèi)流動(dòng)驅(qū)動(dòng)的傳質(zhì)在表面張力，馬蘭戈尼力，浮力和重力的綜合作用下猛烈地破壞了表面平坦度。 不平坦的表面是L-DED制造的零件的顯著特征之一。在LSP下，波峰上的材料可以推向槽，以在一定程度上平滑不平坦的表面。脈沖的高頻（kHz）和脈沖激光光斑的50%的重疊比在平滑上表面方面起著積極的作用。原位SLSP處理后，表面粗糙度Sa和Sz分別降低了24.3%和21.4%。
圖2 不同樣品的表面形貌
圖3 顯示了不同樣品沿構(gòu)建方向的表面殘余應(yīng)力分布。正號(hào)和負(fù)號(hào)分別代表拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。激光光斑附近的熱梯度在L-DED構(gòu)建樣品中殘余應(yīng)力的形成中起著至關(guān)重要的作用。連續(xù)激光器產(chǎn)生的最大拉伸殘余應(yīng)力為143±10 MPa。SLSP處理后，壓應(yīng)力出現(xiàn)在500μm深度范圍內(nèi)的區(qū)域。受影響區(qū)域的限制，殘余應(yīng)力在深部區(qū)域幾乎保持不變。LLSP處理后，拉伸殘余應(yīng)力受到很大程度的抑制，從而使L-DED制備樣品的平均值從89 MPa降低到12 MPa。隨著深度的增加，殘余應(yīng)力也會(huì)增加。此外，L-DED + LLSP樣品的CRS影響深度幾乎是L-DED + SLSP樣品的兩倍。打印過(guò)程中的連續(xù)熱循環(huán)在很大程度上導(dǎo)致了殘余應(yīng)力波動(dòng)。
圖3 不同樣品的殘余應(yīng)力分布
圖4a顯示了樣品的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。經(jīng)過(guò)SLSP和LLSP處理后，極限抗拉強(qiáng)度分別從317±10 MPa的初始值增加到381±13和423±22 MPa，屈服抗拉強(qiáng)度（σ0.2）分別從161±13 MPa增加到187±15和209±11 MPa。L-DED 樣品的伸長(zhǎng)率 （EL） 為 5.48 ± 0.10 %。SLSP處理后，EL降至5.40±0.15%，而L-DED + LLSP樣品的EL達(dá)到6.40±0.30%。LLSP處理克服了強(qiáng)度 – 塑性的制衡。與L-DED樣品相比，L-DED + LLSP樣品的強(qiáng)度和塑性分別提高了33.4%和16.8%。從樣品的斷裂形態(tài)（圖4c）來(lái)看，韌窩顯示出典型的韌性斷裂。根據(jù)韌窩的深度和大小，L-DED + LLSP樣品的塑性最高，而在SLSP處理后塑性略有下降。
圖 4（a） 具有代表性的真正應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（b） 機(jī)械性能（極限應(yīng)力和屈服應(yīng)力以及伸長(zhǎng)率）;（c）樣品的斷裂形貌;（d） L-DED + LLSP AlSi10Mg試樣與先前報(bào)道的其他鋁合金之間的機(jī)械性能比較
原位 LSP 顯著改善了 L-DED 制造的 AlSi10Mg 樣品的表面質(zhì)量和機(jī)械性能。降低表面粗糙度和精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)可能在疲勞，腐蝕和耐磨性中發(fā)揮重要作用。