基于DIC技術的選區激光熔化Inconel 625拉伸性能及各向異性的研究

楊來俠,杜 康,徐 超,高 偉,李素麗,2

(1.西安科技大學 機械工程學院,陜西 西安 710054;2.西安交通大學 機械制造系統工程國家重點實驗室,陜西 西安 710049)

0 引 言

鎳基高溫合金因為其良好的結構穩定性、優越的高溫強度和抗氧化性廣泛應用于航空航天和能源行業。目前已成為渦輪葉片、發動機盤、燃氣輪機等高溫應用中不可替代的材料之一。隨著航空航天技術的不斷發展,對其零部件的功能、結構和性能提出了更加嚴格的要求,結構成型的一體化有利于提高航空零部件的功能、輕量化和機械性能。然而,目前仍有30%～40%的航空零部件采用傳統的合金鍛造方法生產,加工難度大、工藝復雜,不能生產出結構輕量化、質量優良的整體零部件,這些都制約了航空航天技術的發展[1-2]。選擇性激光熔化(SLM)是近年來發展迅速的增材制造技術之一,在復雜結構一體化成型、輕量化、拓撲優化、材料利用等方面具有無可比擬的優勢。將SLM制造方法運用到航空航天復雜零部件的生產中,可以為一體化成型的材料和元件生產開辟一條新途徑。

目前,國內外SLM成型過程研究主要集中于控制工藝參數和材料改性來提高成型件的密度和質量,但這已不再是主要的瓶頸問題。有別于傳統鑄造、軋制或鍛造制造工藝,增材制造成型過程較為復雜,SLM打印方向的改變會引起試件局部力學性能變化并引起各向異性差異[4-7]。SLM整個加工過程是一個非平衡的凝固過程,金屬粉末經歷一個獨特的熱循環,從快速熔化,快速凝固到重熔,在局部極短的時間內輸入高熱能并相互作用,這決定了材料的均勻性、微觀結構和力學性能。激光束作為強熱源點作用于粉末,使熔池中出現類似錘體的溫度場,產生對流,熔池中熔融態流體在短時間內被連續攪拌。因為激光“重熔”作用,粉末層被反復熔化且快速冷卻凝固,高致密度的鎳基合金中存在位錯及殘余應力導致成型件的內部裂紋缺陷、幾何形變、各向異性等失效問題。不同打印角度的掃描策略、層間結合面與掃描區域大小也不盡相同,這些都會直接導致SLM成型件與傳統鑄造、軋制或鍛造產品有各向異性及材料性能差異。如何避免這些問題,制造高質量成型件一直是學術界和產業界關注的重點。

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 ℃的溫度范圍內具有很高的強度和韌性。目前對于改變打印角度Inconel 625成型件的各向異性及拉伸強度、應力分布還缺乏相關的評估與研究。為分析Inconel 625各向異性及整個拉伸應變場,單軸拉伸試驗過程中采用數字散斑(Digital Image Correlation,DIC)技術觀測拉伸受力過程中成型件全應變場變化并提取數據,通過DIC高速照相機追蹤特殊標記點未變形圖像和變形后圖像間選定的子集進行關聯進而確定位移并建立應變場云圖,從而觀測整個變形過程中應變場的變化。

文章旨在研究不同的打印角度下SLM制造Inconel 625構件的材料強度,通過DIC技術觀察獲得打印角度對SLM成型件力學性能及應變場影響,分析內部各向異性。最后使用電子顯微鏡觀察試件斷口,并分析打印角度對斷口形貌的影響。

1 試驗

1.1 材料

試驗所用材料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,具有良好的流動性。粉末粒徑范圍為15～53 μm,平均粒徑為35 μm。試驗前須將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

制備試件的選區激光熔化設備由鉑力特公司生產,型號為BLT-210。試驗最優工藝參數由正交試驗獲得,見表2。成型過程在氬氣環境下進行,打印前預熱溫度為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式。

表2 SLM試件制備工藝參數[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力-應變關系及全應變場變化,SLM同時制造三種同工藝參數、不同打印角度典型拉伸試件。制備過程中試件與設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,試件長220 mm、厚4 mm,為了避免疲勞開裂及應力集中,標距段兩邊采用圓倒角半徑10 mm。中部標距段長100 mm,每組試驗準備3個試件,結果計算平均值。經排水法測量得致密度為98.65%,表面無缺陷,內部有少量孔洞外,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 試驗過程

為驗證試驗的可重復性,分別對Inconel 625試件與SLM設備基板的打印夾角為0°、45°、90°3種打印方式的試件進行單軸拉伸試驗。將試樣記為T-1,T-2,T-3等3組,每組試件進行3次測量并求取平均值,該試驗在MTS-LPS105 型試驗機上進行,試驗機拉伸傳感器進度為0.01 kN。通過MTS拉伸機和DIC等2種方式完成應變測量,采用標距為50 mm引伸計測量標距段的變化,試驗過程控制方式選用位移控制拉伸試驗設備,如圖4所示[11-15],拉伸試件前對標距段使用黑色及白色漆進行噴繪,獲得隨機灰度水平表面。DIC試驗采用高速攝像機拍攝,相機的擺放位置與正確加持后的試件中心位置平齊,每次拉伸前需調節相機焦距,調整兩側冷關燈至合適亮度,查看軟件界面散斑拍攝紫色區域為90%以上,避免過度曝光或補光不足。完成調試后抓拍一張空載照片建立參考位置,拉伸過程中使用數字相機1 s一張拍攝,拍攝像素分辨率為1 280×1 024的圖像,當測試終止至試件斷裂大約產生600～1 000張圖像。隨后使用GOM-Correlation軟件對試件標記段表面進行位移的測量及應變計算,拉伸初始狀態手動拍攝定義初始圖像,開始處理定義范圍內標距段的網格。由初始圖像相關聯決定每個測量點在網格上的位移,通過對比灰度級,獲得標距段表面位移場[16-19]。

圖4 DIC性能測試裝置Fig.4 DIC performance test device

2 結果和討論

2.1 單軸拉伸試驗結果

首先對0°角試件進行拉伸,隨后對45°角及90°角打印方向的試件進行測試,圖5為試驗數據求平均后的應力-應變曲線及誤差,3次結果基本一致?？梢钥闯鋈N構建類型的曲線趨勢大致相同,均呈現雙線性特征,初始階段有輕微的J型變形,這可能與材料內部缺陷及打印掃描路徑引起的細小空隙和缺陷相關,0.2%的驗證屈服強度為676,612,520 MPa,對應抗拉強度為1 681,1 587,1 472 MPa[20]。隨著分層角度的增大成型件屈服強度與抗拉強度變小,屈服強度降低22%、抗拉強度降低12%,由此可見小角度打印既能減少分層數、支撐數,又可以提升試件拉伸強度。

圖5 拉伸結果及誤差Fig.5 Tensile results and error bars

表3為不同打印方式下拉伸性能對比。參考ASTM B446-03與GJB 3317A-2008進行對比,ASTM B446-03為常規退火態Inconel 625 鍛件的拉伸性能標準;GJB 3317A-2008為中國航空高溫合金熱軋板標準。由表3可知,最優工藝參數下,SLM 3種打印方式的拉伸數據均遠高于以上兩種參考標準,可運用于航空航天等領域復雜元件的一體化制造[21]。

表3 拉伸性能對比Table 3 Comparison of tensile properties

2.2 DIC試驗結果分析

DIC方法拍攝為整個試驗進程,每1 s一張,拍攝全程圖片數量達上千張,為了縮短GOM-Corrleate軟件處理時間,對數字散斑圖片間隔數量為50張等距提取,為明顯的表示屈服特征,對屈服階段的照片進行間隔10張提取。隨后將篩選出的照片重新編號排序,導入GOM-Correlate軟件進行分析,提取試件中段觀測應變云圖,如圖6所示。

2.2.1 試驗結果對比

圖7為單軸拉伸引伸計與DIC方法提取數據的應力-應變曲線對比,DIC應變提取位置為試件標距段頸縮的應力集中區域。3組試驗結果的對比顯示,拉伸機和DIC數據誤差極小,2種測量方式的應力-應變曲線屈服點幾乎重合,對比引伸計數據驗證了DIC測量的一致性和可靠性。DIC測得屈服強度為639,587,490 MPa,與拉伸機引伸計測得的誤差在5%以內,且單軸拉伸數據為3組試驗平均值,所以試驗具有可重復性[22-23]。

圖7 引伸計與DIC應力-應變曲線對比Fig.7 Comparison of stress-strain curves between extensometer and DIC

2.2.2 DIC云圖應變分析

通過采集圖像子區域中整像素位移搜索法獲得位移場的變化,根據位移場數值分析計算拉伸過程中的應變場變化,圖8為應變場位移原理。應變場的計算采用最常見的最小二乘法,通過二維一次多項式擬合計算位移場。

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

自區域位移函數如下式

(1)

式中u,v為像素點在x,y方向上的位移分量;(a0,a1,a2),(b0,b1,b2)為多項式系數;εx,εy分別為x,y方向上應變。

應變分量計算如下式

(2)

圖9～圖11為3類試件DIC應變場分布變化云圖。其中圖9為0°角打印試件應變場云圖。從圖9可以看出,試件拉伸至300 s時,標距段中心區域首先出現應變,隨著試驗不斷推進,標距段應變呈現向中心區域集中的趨勢。當拉伸時間至440 s時刻時,如圖9(c)所示,應力集中區域逐漸開始頸縮,并從中心向兩側擴展。

圖9 0°角打印試件應變場分布變化云圖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破裂,散斑噴漆脫落失效,頸縮現象向兩側擴展直至試樣斷裂;圖9(c)當接近拉伸斷裂時刻(約560 s)散斑脫落區域繼續增大,邊緣已基本失效,這也導致此處的DIC測量應變數據出現缺失。從DIC測量的應變數值來看,試件中部變形量最大,在DIC測量應變未失效之前隨著外載荷的增加應力集中區域不斷增大,紅色應變區域斷裂前最大應變0.487左右。應力集中及斷裂部位位于標距段中部,與傳統成型件拉伸斷裂現象基本一致[24]。

圖10為45°角打印試件應變云圖,從圖10可以看出,應力隨著試驗推進出現了多條應力集中帶,與其構建方式的45°分層夾角基本一致。說明在拉伸過程中應力會集中于分層結合處,這可能與過度燒結及分層搭接率相關。

圖10 45°角打印試件應變場分布變化云圖Fig.10 Nephogram of strain field distribution of 45° specimen

圖11為90°角打印試件應變場云圖,對比圖11的變化,隨著試驗推進,出現了多條橫向應力集中帶,與打印試件的鋪粉分層平行。結合45°角打印應力集中帶分布情況分析,說明構建過程中的分層方向會直接影響3D打印件各向異性的形成與應力集中帶的角度,這也是SLM各向異性現象形成的基本原因[25-26]。

圖11 90°角打印試件應變場分布變化云圖Fig.11 Nephogram of strain field distribution of 90° specimen

2.3 強度分布曲線分析

結合DIC可獲得拉伸標距段屈服強度分布曲線,如圖12所示,距中心距離±30 mm為監測區域。從圖12可以看出三類結果存在明顯差異。GOM-Corrleate軟件選擇線分析提取標距段應力,發現0°角打印斷裂附近應力分布較為規律,斷裂頸縮最初也出現在峰值應力處,峰值兩側應力逐漸下降,最低降至中心峰值應力的60%。45°角打印與90°角打印試件屈服強度分布多為起伏波動形式,斷裂處峰值為520,612 MPa,峰值兩側與裂紋初始處均呈現起伏波動。對比DIC云圖發現應力波動處為應力集中帶位置。0°角打印試件斷裂位置附近的應力-應變響應完整,頸縮伸長量也大于其它兩類試件。這是由于激光熔化結合強度較高、內部結合致密,所以在SLM制備成型件時,建議減少分層厚度,應多采用平鋪的方式進行切片打印,不僅可以減少應力集中帶各向異性的出現,也能獲得力學性能更優的成型件。

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,這是因為0°角打印方式下層與層結合緊密未出現層間斷裂。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,并未出現細小的韌窩,可以清晰地觀察到試件的分層,材料斷口相對整齊,斷口多出現于層間結合面及應力集中帶。分層間隙可見有少量細小裂紋、孔隙,這是由于材料熔化后,層間邊界的搭接不足引起的。經排水法測得試件致密度為98.65%,材料內部較為致密,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生?？障度毕莸男纬墒且驗镾LM制備過程中有氬氣流,粉末會捕獲氣體形成孔隙,熔化過程中熔融態金屬的飛濺也會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 論

1)針對3種不同打印角度的SLM試件,通過單軸拉伸獲得Inconel 625應力-應變曲線。屈服強度為676,612,520 MPa,對應抗拉強度為1 681,1 587,1472 MPa,均高于Inconel 625的標準值。

2)基于DIC得到SLM成型Inconel 625三類試件的全場應變云圖,拉伸過程中出現分層方向一致的應變帶和應力集中區域。0°角打印強度分布規律,45°角與90°角打印強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生于分層結合面,斷口平滑整齊。