增材制造技術試驗件力學性能探討范文

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鈦及其合金最早出現在1950年代，是航空航天等行業最重要的材料之一。力學性能決定了材料的使用范圍。所以，當一項新材料誕生時，對它的力學性能的研究也就隨之開始了。增材制造是目前快速增長的新興技術之一。目前主流的增材制造技術包括ElectronBeamMelting（EBM）、DirectMetalDeposition（DMD）和WireandArcAdditivelyManufacture（WAAM）等。由于增材制造還處于發展階段，其力學性能還未被完全研究清楚，因此也沒有一套較為系統的材料標準。在這種情況下，本文對增材制造Ti－6Al－4V材料的力學性能進行研究。

一、靜強度性能研究

針對傳統制造技術的Ti－6Al－4V材料標準較為完善，針對增材制造技術的材料標準尚在建立過程中。2002年，SAE頒布了使用DMD制造Ti－6Al－4V材料的標準AMS4999。與上述傳統材料標準不同的是鑒于增材制造技術的特點，在不同的材料方向上提出了不同的要求。ASTM亦在2012年頒布主要針對使用粉末鋪層聚變技術的Ti－6Al－4V材料標準ASTMF2924。以上材料標準中要求的最小屈服強度和極限強度要求對比如圖1所示。增材制造技術按照能量源通常為電子束、激光和電弧。材料的原始狀態為粉末或絲線。大量研究證明使用增材制造技術生產的試驗件在屈服強度和極限強度上均滿足現有的標準材料要求。同時由于增材制造的特點，在材料堆積方向（Z方向）上的力學性能通常要小于其他兩個方向，Svensson、Alcisto和Lorant等人的研究數據可以充分反映這一特點。但值得注意的是，Svensson所研究的EBM（ElectronBeamMelting）技術在材料各個方向上的差異較小，所以材料可以被認為是各向同性的。同時研究還表明，制造完畢的后期處理和加工對靜強度性能的改變各不相同。HIP（HotIsostaticPressing）是一種在安全殼中使用高溫和高壓氣體對試驗件進行處理的技術，它有助于去除材料的多孔性，提高材料密度。Svensson使用該技術對試驗件進行處理，試驗件的經強度性能沒有明顯變化，這可能與EBM制造過程中未產生大量氣孔有關。而Alcisto對使用DMD（DirectMetalDeposition）技術制造的試驗件進行機加處理后其靜強度明顯提高。疲勞強度性能研究疲勞強度性能是材料的另一重要指標，關系到結構的安全性和經濟性。通常疲勞強度的通繪制的S－N曲線體現?，F有的研究結果表明，使用增材制造技術制造的試驗件與使用傳統制造技術制造的試驗件具有相近的疲勞強度。Svensson對使用EBM技術制造的Ti－6Al－4V試驗件疲勞性能的試驗結果，經過HIP處理的試驗件具有更長的疲勞壽命。通過與公開數據的對比，使用EBM技術制造的Ti－6Al－4V試驗件與鍛件具有相近的疲勞強度。

二、斷裂韌性研究斷裂韌性的測定要求

試驗件處于平面應變條件下進行，這要求試驗件具有足夠的厚度，而試驗件中的氧含量對斷裂韌性具有較大的影響力。增材制造過程中因為產生高溫，材料再成形過程中會與空氣中的氧氣發生反映，因此對制造過程中對周圍環境氧氣含量的控制是控制要素之一。ASTME399規定了測定斷裂韌性的標準程序，MMPDS指出Ti－6Al－4V的斷裂韌性下限為65.4MPa*m0.5，平均值為75MPa*m0.5。但與靜強度性能而言，對于使用增材制造技術試驗件的斷裂韌性研究十分有限，這也是后期研究的主要內容之一。Hooreweder對使用SLM技術的Ti－6Al－4V試驗件進行斷裂韌性試驗，同時測定一組使用真空電弧再融化技術的試驗件作為對比。試驗結果表明，使用SLM技術的試驗件的斷裂韌性為52.4MPa*m0.5，對比組的斷裂韌性為69.98MPa*m0.5。此試驗結果反映出使用SLM技術制造的試驗件的斷裂韌性較平均值低，Hooreweder認為這是由含有尖銳尖端的馬氏體組成的脆弱且不穩定的圍觀結構決定的。Lorant對使用WAAM技術制造試驗件的斷裂韌性進行試驗，試驗的平均斷裂韌性為77.9MPa*m0.5。然而次研究中試驗件的厚度只有5mm，經過測算試驗件未處于平面應變狀態。因此其真實的斷裂韌性應低于此值。

結語

本文分別從靜強度、疲勞強度和斷裂韌性三個方面對增材制造試驗件的力學性能進行研究。研究表明，使用增材制造技術制造的試驗件與使用傳統技術生產的試驗件具有相近的力學性能。同時由于其技術特點，材料各項同性、制造環境控制等方面又具有自己的特點，這是在進一步研究和投入使用過程中需要特別注意和進一步研究的。

作者：劉世杰