哈理工&商飞北研中心：模拟内部缺陷对SLM增材制造铝合金拉伸强度的影响-程序员宅基地

技术标签：制造

金属增材制造技术在民用飞机结构轻量化设计方面具有巨大潜力。然而，无损检测（NDT）技术表明，增材制造零件内部不可避免的会出现不同类型的缺陷，包括孔隙、不完全熔合和裂纹等，并且缺陷的出现与增材制造工艺参数的选择密切相关。增材制造缺陷的存在不可避免的会导致零件内出现局部应力集中，从而削弱零件的机械性能。因此，零件内在质量的控制和技术标准的建立是金属增材制造工艺工程应用中必须解决的挑战。

量化缺陷对材料性能的影响也是一个紧迫的研究课题。民用结构更关心零件的疲劳性能而不是静态性能，内部缺陷对疲劳性能的影响也较为显著。然而，目前尚无可用于工程实践的缺陷对疲劳性能影响评估的定量方法。拉伸强度作为工程中金属材料的关键力学性能之一，很容易测量，它被广泛用作产品质量的控制指标。此外，常用的热等静压（HIP）后处理工艺可以提高增材制造零件的疲劳性能，但会降低屈服强度和拉伸强度。量化缺陷对材料拉伸强度的影响可以为选择增材制造工艺参数和确定内部质量评估指标提供参考，对金属增材制造工艺在民用飞机轻型结构设计中的应用有直接贡献。

同时，金属增材制造价格昂贵，通过机械测试进行这项研究的成本很高，并且测试周期长。因此，结合弹塑性有限元模拟定量分析缺陷对拉伸强度的影响是一种廉价而有效的研究工具。需要建立合理的简化的包含缺陷的几何模型，正确指定尽可能满足实际情况的材料属性、边界条件，选择合适的单元属性，设置合适的网格密度，并选择合理的弹塑性理论和损伤理论。根据金属材料单轴拉伸试验标准进行验证试验也是一项必要的任务，以确保弹塑性有限元模拟模型分析结果的可靠性。

影响金属增材制造零件抗拉强度的因素有很多，如热处理方法、试验温度、粉末孔隙率、内应力集中、表面粗糙度、材料横截面积等。然而，抗拉强度的定义表明，主要影响是由于内部材料的缺失而导致材料净横截面积的减小。

来自哈尔滨理工大学机械动力工程学院以及中国商飞北京飞机技术研究院的研究人员，以铝合金增材制造试件为研究对象，根据有预制缺陷和无预制缺陷的SLM增材制造铝合金（AlSi10Mg）试件的试验数据，构建了考虑内部缺陷的弹塑性有限元模型。提出了一种通过修正具有应力集中系数的有限元网格数量来提高模型可靠性的方法，以研究内部缺陷的类型、规模、位置和形状的变化对室温拉伸强度的影响。相关研究以“Effect of internal defects on tensile strength in SLM additively-manufactured aluminum alloys by simulation”发表于航空学报。

https://doi.org/10.1016/j.cja.2023.08.019

所用铝合金样品采用SLM工艺制备，包括10个无预制缺陷样品和5个有预制缺陷的样品，直径分别为0.3 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm、2.0毫米。打印参数为打印层厚度0.03 mm，扫描间距0.19 mm，激光功率370 W，扫描速度1300 mm/s，打印后退火热处理，温度300 ℃，保温时间2 h。缺陷位于样品的中轴处。样品编号中的X、Z、45分别表示装载方向与打印方向的夹角0°、90°、45°。所有样品均采用同一批铝合金粉末材料、机器、工艺参数、热处理方法制成

具有预制缺陷样品的扫描电子显微图像

测试后样品

FEA 模拟的结果

模拟约束

缺陷位置和比例调整

总的来说，研究了内部缺陷对用于民用飞机轻量化设计的选择性激光熔化铝合金 (AlSi10Mg) 测试零件拉伸强度的影响。结合试验数据和应力集中因子比较法，建立了包含内部缺陷的有限元分析（FEA）模型。分析了缺陷数量、位置和形状的变化对有限元结果的影响。其结果表明，采用球形缺陷建模是合理的。有限元建模和分析方法也应用于研究其他金属材料增材制造中内部缺陷对拉伸强度的影响。根据不同尺度下单一缺陷的有限元分析结果，建立了适用于缺陷面积小于15%的抗拉强度减弱程度计算公式。该过程的结果是可靠且保守的。该研究成果可指导铝合金增材制造工艺参数的选择。此外，研究成果还可促进金属增材制造在民用飞机轻型结构设计中的应用。

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