粉末床增材制造的有限元仿真在航空零部件上的應用技術研究

對于許多人而言，增材制造技術被視為只要獲取零件的三維模型信息,，其制造過程就是一個簡單的材料疊加,，沒有絲毫的技術難度可言。實際上,，在打印過程中因支撐斷裂,、零件翹曲等造成打印中斷，抑或是經(jīng)長時間打印后發(fā)現(xiàn)零件其實很早就已經(jīng)開裂失效的現(xiàn)象屢見不鮮,。其根本原因在于,，增材制造，尤其是金屬粉末床的增材制造是一個快速凝固的過程,，其制造過程中產(chǎn)生的大量殘余應力將致使零件發(fā)生失效,、翹曲、開裂等問題,。由于缺乏增材制造工藝的標準與規(guī)范,，現(xiàn)階段粉末床增材制造仍然沿用傳統(tǒng)的“試錯”模式，一次成功實現(xiàn)零件制造的幾率非常低,，極大的浪費了材料,、機器時間以及勞動力。特別是在制造航空零部件時,，“試錯”的增材制造模式更是顯示出其低效率,、高成本的技術局限性。

針對上述問題,，本文采用有限元仿真技術,，通過對航空零部件的增材制造過程進行模擬分析，有效解決打印過程中零件存在的失效,、翹曲,、開裂等技術難題，為增材制造工藝工程師提供一條縮短工藝開發(fā)時間并有助于提高零件質量的解決方案，促進實現(xiàn)“第一次就成功”打印零件的目標,。

1.有限元法概況
有限元法是一種通過對有限個單元體作分片插值求解力學,、物理等問題的數(shù)值求解方法。在增材制造科學研究中,，有限元法常用于求解在溫度場,、應力場等多場耦合作用下，零件結構形狀幾何非線性,、材料非線性等問題,。
目前粉末床增材制造有限元仿真主要采用Simufact（一種包含AM在內的金屬制造過程仿真軟件），通過輸入材料的本征參數(shù)（如化學成分,、熱力學性能,、機械性能、應力-應變曲線等）,、支撐方案,、激光工藝參數(shù)（激光功率、掃描策略,、激光光斑,、掃描間距等）、熱處理工藝,、基板切割方向和支撐去除等工藝參數(shù)（如圖1所示）,，就能夠獲得零件在打印、熱處理,、線切割,、支撐去除等多個階段應力,、應變,、殘余應力的分布情況以及對零件尺寸（變形大小）,、機械性能的影響規(guī)律,，進而確保在啟動制造前優(yōu)化設計方案并最終制造出可被接受的零件。

圖1 Simufact軟件中材料本征參數(shù)的輸入界面

將有限元仿真技術應用于粉末床增材制造將帶來幾項變革：在零件制造前可提供精確的零件變形和殘余應力結果,，降低成形風險,，提高“一次打印成功”的成功率；可對構造方向（水平,、垂直或者其他方向）進行測試,，甄別最優(yōu)打印方案；對不同的支撐方案進行“無成本”檢查,，無需“試錯”就能驗證支撐方案的可行性,；此外，還可以進一步處理工藝鏈的問題，研究構造零件過程中所采取步驟的順序,。綜上所述,，在粉末床增材制造中有效利用仿真技術，在制造零件前高效探索影響零件的變量,，可以極大的縮短研發(fā)周期,、提高機器/人工利用率、減少材料和能源消耗,。由此看來,，該項技術在航空零部件的快速制造上更具有推廣應用前景。

2.航空零部件的有限元模擬研究

2.1模擬驗證試驗
鈦合金材料比強度遠高于高強度鋁合金,、鎂合金,、高溫合金和高強度鋼，因此成為航空零部件制造首選的材料之一,。鈦合金的粉末床增材制造,，尤其是零件在基板平面投影的截面積占比較大時，往往在成形過程中產(chǎn)生極大的殘余應力,，造成鈦合金零件的“控形”十分困難,。毫不夸張地說，零件在基板平面投影的截面積僅占據(jù)基板平面26.79%時,，在打印過程中的殘余應力釋放將厚達25mm的不銹鋼基板翹曲了5mm之多,。因此，即便是橫向打印鈦合金的標準力學試驗件,，如不做后續(xù)的去應力退火而直接進行線切割,，則所有的橫向力學試驗件均會發(fā)生2mm以上的翹曲變形，如圖2所示,。

圖2 鈦合金打印件翹曲示意圖

為了驗證Simufact軟件的可靠性,，通過輸入TC4鈦合金的本征參數(shù)（鍛件的本征參數(shù)），支撐方案,、激光工藝參數(shù),、線切割方式進行仿真分析，計算出經(jīng)打印,、線切割后零件殘余應力的分布情況,，并獲得零件在各個方向上的變形結果，如圖3所示,。

圖3 TC4鈦合金力學件模擬打印過程中的變形

從圖3中可以看出,，采用橫向擺放方式的TC4鈦合金力學性能件，如未經(jīng)去應力退火直接進行線切割,，在打印與線切割過程中產(chǎn)生的殘余應力將在零件各個位置進行釋放,，在端部殘余應力達到最大并引起翹曲，翹曲最大變形量達到了2.37mm。仿真結果與實際情況基本吻合,，從而驗證了Simufact軟件的準確性與可靠性,。

2.2支臂的有限元模擬研究
諸如舊機型戰(zhàn)機的支臂等航空零部件，由于國內生產(chǎn)線已經(jīng)全部停產(chǎn),，但飛機仍需要執(zhí)行任務,，這時采用增材制造技術進行老舊零件的制造具有巨大的優(yōu)勢：無需恢復生產(chǎn)線就能夠快速響應航空領域多品種、少批量構件的定制生產(chǎn),，避免了巨額的固定資產(chǎn)投入,，適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭“四快”：快速響應、快速制造,、快速修復,、快速恢復戰(zhàn)斗力的新要求。

然而,，增材制造技術并不是萬能的,。航空零部件的材料、形狀,、結構各異,，并不是掌握了該類材料的工藝與支撐方案就通用于其他零部件。實際上,，因為工藝的通用性,、支撐設計的不合理性，導致零部件打印完后發(fā)生開裂,，翹曲的現(xiàn)象屢見不鮮,。圖4即為針對支臂的三維模型，以“經(jīng)驗”進行支撐設計與工藝設定,，結果證明采用這種“經(jīng)驗式”的工藝與支撐方案其實并不合理,，導致在打印結束后發(fā)現(xiàn)支臂其實在打印初期就已經(jīng)發(fā)生翹曲變形，造成大量的材料與時間的浪費,。如果有一種有效的模擬方式,，在打印啟動前就可以評估方案的可行性,，則可以避免這種經(jīng)驗式的錯誤,。

圖4 支臂發(fā)生的翹曲變形

為了分析造成支臂變形的原因，將鋁合金材料（參照鑄件標準）的本征參數(shù),，支撐方案,、激光工藝參數(shù)輸入Simufact軟件中，通過有限元仿真,，得到支臂打印過程中的變形情況,，如圖5所示。從圖5可知，采用實際打印工藝與支撐方案,，支臂打印過程中發(fā)生嚴重變形的位置為零件前端,，最大變形量達到3.03mm。通過模擬分析,，準確的預測了實際打印過程中零件將發(fā)生變形的位置及變形量,。

圖5 支臂打印過程中的變形分析

2.3導向葉片的有限元模擬研究
航空發(fā)動機及燃氣輪機是工業(yè)皇冠上的明珠，其高溫高壓零件在復雜苛刻條件下工作,，使用損傷大,，制造難度高，尤其是導向葉片的制造技術僅由歐美少數(shù)國家掌握,，對外嚴密封鎖,。我國雖然突破了部分關鍵技術并得到應用，但遠不能滿足新結構,、新材料高溫高壓零件的制造需求,。采用基于增材制造的逆向工程技術，能夠快速制造高溫高壓復雜零部件,，減少研發(fā)費用,、縮短研制周期，擺脫受制于人的困境,。

通常,，用于航空發(fā)動機或燃氣輪機的高溫高壓零件形狀各異、內部流道復雜,，使用的材料又十分昂貴,，提高零件的一次打印成功率是降低制造成本的關鍵因素。如用于燃氣輪機的導向葉片就屬于該類零件,。為了提高導向葉片的一次打印成功率,，采用兩種不同的擺放方式與支撐方案，通過輸入相應高溫合金的本征參數(shù)（參照鑄件標準）,、激光工藝參數(shù),、去應力退火工藝參數(shù)以及線切割方式進行仿真分析，結果如圖6所示,。

圖6 不同擺放形式下導向葉片的模擬分析結果

從圖6中可以看出,，采用上述兩種擺放方式，雖然零件的朝向完全相反（轉動180°）,，但是從仿真結果上看,，都是離基板平面的近端處存在較大的變形，最大變形量達到2.27mm,。為了驗證仿真的準確性,，采用兩種方案分別試打一件導向葉片,，結果如圖7所示。從圖7中可以看出,，實際打印的情況與模擬的結果一致,，通過模擬計算獲得的變形面與實際打印的變形面完全吻合。

圖7 不同擺放形式下導向葉片的實際打印情況

3結束語
隨著模擬技術的飛速發(fā)展,，該技術在增材制造方面凸顯出獨特的優(yōu)勢,，為復雜航空零部件的粉末床增材制造過程中溫度場、應力場,、變形等提供了精確的參考依據(jù),，擺脫了傳統(tǒng)工藝優(yōu)化過程中消耗性的“試錯”模式，對增材制造的機理性探索和工藝優(yōu)化具有重要的指導作用,。但是,，現(xiàn)階段的粉末床增材制造仿真技術仍存在其局限性，基于大數(shù)據(jù)的綜合化與大尺寸化成為粉末床增材制造技術未來發(fā)展的重點方向,。

（1）材料本征參數(shù)是關系到仿真結果精確與否的重要參數(shù)之一,。目前模擬軟件輸入的材料本征參數(shù)絕大部分均沿用同類材料的鑄、鍛件指標,，用于評估,、預測3D打印零件特性是不完全、不準確的,。因此,，建立以3D打印標準試驗件為基準的材料本征參數(shù)大數(shù)據(jù)十分必要；

（2）采用模擬技術能夠實現(xiàn)增材制造工藝全流程單階段的溫度場,、應力場,、殘余應力的計算，并通過簡單疊加預測零件最終的成形效果,，其綜合耦合能力仍不夠強,，多階段多場耦合是未來發(fā)展的趨勢；

（3）目前,，受限于大尺寸零件的邊界條件設定,、計算時間以及計算精度等問題，模擬技術僅能夠對粉末床級別的零件進行精確預測,，還無法實現(xiàn)大尺寸構件的模擬,。模擬大尺寸化也是未來發(fā)展的趨勢之一。

作者：李  禮1, 2,，劉曉輝3,，戴  煜1, 2 ，寧 敏3,，楊 盼3,，楊 文1, 2
1. 湖南頂立科技有限公司；2湖南省新型熱工裝備工程技術研究中心,；3.長沙五七一二飛機工業(yè)有限責任公司）