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第二十九期 喷丸处理对增材制造(3D打印)零件的疲劳强度的影响
发布时间:2021/5/12 14:27:10


本项研究是由FerroECOBlast®Europe公司的研发部门与Jožef Stefan研究所(斯洛文尼亚的领先科学实验室和格拉茨的Joanneum研究中心)合作进行,研究了喷丸处理对增材制造零件的影响。

随着增材制造技术(也称为3D打印)的显著发展,在非常规结构和材料的表面处理方面出现了新的准则和要求。冷微锻造,俗称喷丸处理,是一种众所周知的表面处理工艺,通常用于航空航天和汽车等要求最苛刻的行业的机械零件上。喷丸处理改善了机械零件的工艺性能并延长了其使用寿命。

问题在于,孔隙率和由此产生的微裂纹在多大程度上影响了3D打印零件的机械特性,以及对此如何进行改善。当前研究分为多个方向:退火和金属微观结构的相应变化,压缩/轧制,以及可能是最合适的现代喷丸处理。由于AM(Additive Manufacturing; 增材制造)技术相对较新,对此类机械零件的喷丸效果尚未进行广泛研究,因此决定对采用增材制造生产的金属零件进行喷丸效果研究。

测试概述

不同的3D打印工艺有利于复杂零件和原型件的制造,因此很难选择使用这些工艺制造的典型机械零件作为测试对象。本研究选择了一种常用于实验室进行疲劳强度试验的普通试件。试件采用SLM(选择性激光熔化)工艺,也称为LPBF(激光粉末熔珠)工艺来制造。在材料方面,本研究选择了三种不同的常用金属合金:

1. 铝合金AlSi10Mg

2. 马氏体时效钢MS1(DIN 1.2709)

3. 钛合金Ti6Al4V

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图1:试件–3D打印试件

左:未经处理的原始零件•右:喷丸前的研磨件

热处理

清除3D打印试件上的残余灰尘和氧化物,然后进行退火和时效处理。随后将试件研磨至最终尺寸,以确保尺寸精度和试件更好的工艺性能。每种选定的材料都需要进行不同的热处理,如表1所示。

表1:每种选定材料的试件热处理参数

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机械处理

由于AM生产的试件在热处理后没有足够精确的形状,因此需要进行机械后处理,即研磨,以确保测试所需的精确几何形状。这样,在进行永久动态强度试验时,得到了准确的结果。所有试件均按实验室常用试件的标准形状和尺寸制造。

喷丸处理

试验前的最后一道工序是喷丸。所选参数是根据实践中每种特定类型的常规基材的最常见参数经验确定的。为了确定最合适的方法,为每种试验材料选择了三种不同类型的丸料和不同强度的喷丸方法:钢丸ASH110、陶瓷丸Z150以及ASH110和Z150的双重丸料组合。

表2:AlSi10Mg、MS1和Ti6Al4V样品的喷丸参数

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图2:机器中样品的喷丸处理

疲劳强度试验

在实验室用专用机器对未经喷丸处理的五个样品进行疲劳强度试验。其目的是确定在105次循环和大约70 Hz的频率下达到试件断裂点所需的载荷。确定参数后,又测试了五个具有相同参数的参考试件,这些参考试件也没有进行喷丸处理,并且这5个参考试件分别针对每种材料及喷丸处理总共进行了60次测试。

疲劳强度试验结果

如下图所示,喷丸处理对试件的持久动态强度有非常积极的影响。未经喷丸处理的参考试件在平均105次循环中达到断裂点,而经喷丸处理的试件可经受平均5105次循环,最多2106次循环。失效所需的循环次数取决于喷丸参数以及试件的基材。

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图3 AlSi10Mg样品测试图

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图4: Ti6Al4V样品测试图

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图5: MS1样品测试图

金相分析

金相分析的目的是检查喷丸处理对试样基材的影响,其结果最好反映在显微硬度上。对测试持续动态强度的同类样品进行测量。

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图6:样品显微硬度测量图像

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图7:  MS1样品的HV显微硬度测量及弹性模量图示例

摘要

研究结果证实,喷丸处理对AM生产的零件的疲劳强度有显著的积极影响,而与基材无关。

对钛合金Ti6Al4V的影响最大,寿命延长了20倍。试验结果本可以更好,但试验人员在2×106次循环时停止了测试。由MS1钢制成的样品的寿命延长了约15倍,最后由AlSi10Mg制成的样品的寿命延长了8-10倍。

结果表明,采用S110钢丸进行喷丸处理效果最好,其次是S110+Z150钢丸和陶瓷丸的双重丸料,最后是Z150陶瓷丸。AlSi10Mg试样的结果偏差最大,其次是钢试样,而Ti6Al4V的所有喷丸测试方法都取得了很好的效果。

喷丸处理对材料显微硬度的影响,正如金相分析所显示的,并不显著。表面显微硬度略有增加,可达200-300μm深。以S110+Z150双喷丸效果最好,表现为弹性模量的提高。

喷丸处理显著提高了由AM过程产生的产品的机械性能、疲劳强度和抗腐蚀性,从而延长了产品的使用寿命。

因此,制造商能够优化此类产品的设计,减轻其重量,这最终意味着更快和更具成本效益的生产过程,并在运行过程中显著节约能源。

如本研究所示,在设计阶段牢记喷丸对所有采用增材制造生产的金属零件都有很大意义。