澳大利亞和印度的研究人員開發(fā)了一種新的理論模型，可成功預(yù)測激光增材制造的殘余應(yīng)力和臨界沉積高度。該模型由印度理工學(xué)院的Ramesh Singh教授團隊與莫納什大學(xué)的Wenyi Yan教授共同開發(fā)，研究了熱機械行為和通過直接能量沉積技術(shù)（如激光熔覆）進行的冶金轉(zhuǎn)化。激光熔覆廣泛用于汽車和航空航天工業(yè)中零件和結(jié)構(gòu)部件的維護，修理和大修，因為它改善了材料特性。

“定向能量沉積方法在航空航天部件，模具、模具的維修和再制造方面具有巨大的潛力，這些部件和模具因循環(huán)熱機械加載而受到損壞，”Singh解釋說。 “但是，沉積層中存在拉伸殘余應(yīng)力會降低部件的疲勞壽命。在這項協(xié)同工作中開發(fā)的完全耦合的熱機械和冶金模型已用于確定臨界沉積高度，以確保壓縮殘余應(yīng)力。 沉積層可持續(xù)修復(fù)。“

他們的工作在“Scientific Reports journal”上在線發(fā)表。在該論文中，研究人員報告說，通過其金屬熱機械模型預(yù)測的激光熔覆鋼橫截面上殘余應(yīng)力的變化表明存在臨界沉積高度。沉積的臨界高度對應(yīng)于層厚度，當沉積時，層厚度將使沉積層和基板中的有益壓縮殘余應(yīng)力最大化。低于臨界高度的沉積將在界面處產(chǎn)生有害的拉伸殘余應(yīng)力，而高于臨界高度的沉積將導(dǎo)致過度稀釋。研究還發(fā)現(xiàn)，在沉積的臨界高度，凝固速率最小。

Kowari殘余應(yīng)力衍射儀用于測量H13鋼樣品中的宏觀殘余應(yīng)力，該樣品是用釩含量高的坩堝顆粒冶金鋼粉激光包覆的。Kowari殘余應(yīng)力的三維測量是高度準確和非破壞性的。

“一個模型只有它的驗證一樣好。使用應(yīng)變掃描儀器 － Kowari，我們能夠識別沉積層中的三軸殘余應(yīng)力，這證實了模型預(yù)測的位置，”研究科學(xué)家和工業(yè)聯(lián)絡(luò)經(jīng)理Anna博士說。

激光熔覆包括將熔融金屬沉積在相對冷的鋼基板上，產(chǎn)生復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布�；�于熱機械性能的理論模型（通常使用）被證明高估了拉伸殘余應(yīng)力并低估了基材和界面中的壓縮殘余應(yīng)力。

該團隊使用印度理工學(xué)院的表面X射線衍射測量一個方向的殘余應(yīng)力。然而，重要的是進行獨立的完全非破壞性的體積測量，以驗證內(nèi)部測量程序。兩種衍射技術(shù)都表明在熔體前沿附近存在拉伸殘余應(yīng)力，在沉積層和界面區(qū)域中存在壓應(yīng)力。

“了解應(yīng)力并能夠預(yù)測它們對于增材制造行業(yè)非常重要。驗證模型非常有益，因為使用該模型進一步優(yōu)化制造過程將具有成本效益并節(jié)省時間，”Paradowska說。（Paradowska是Mark Reid博士的論文的共同作者）“該模型允許您計算激光位置速率，以達到特定的沉積高度，同時最大限度地減少有害應(yīng)力的影響，并最大化有益的壓縮應(yīng)力。”

該研究的作者建議展示一種科學(xué)的技術(shù)解決方案，可以提高激光增材制造的元件的質(zhì)量，安全性和經(jīng)濟性。