金属增材制造构件应力-组织-性能最优协同控制方法

1.本专利涉及金属增材制造控形控性技术领域，尤其涉及金属增材制造构件应力-组织-性能最优协同控制方法。


背景技术：

2.金属增材制造技术是通过激光、电子束、电弧、等离子等能量源，对金属粉末、丝材进行逐点、逐线扫描，将粉末或丝材进行熔化后，逐线搭接、逐层凝固堆积，实现三维复杂零件的近净成形。
3.金属增材制造过程涉及长时间循环往复的能量源逐行、逐层局部熔凝过程，主要工艺参数、成形气氛环境及熔池熔体状态都不可避免存在波动，再加之能量源扫描轨迹周期性变化引起的不连续性及不稳定性，在成形件局部区域(单道烧结线内部，线与线之间；单一烧结层内部，层与层之间)都有可能产生冶金缺陷。特别是，在粉体完全熔化及能量源动态扫描条件下，熔池本身具有很强的不稳定性，液相凝固收缩效应明显，极易在增材制造成形件中形成复杂的残余内应力，严重时产生变形和开裂。
4.再者，金属增材制造形成的沉积态组织是逐层烧结凝固、非平衡冶金、重复加热及制造方式等多因素作用下的产物，增材制造成形方式决定了固态相组织的分布不均匀和微观组织分布不均匀，粗大状晶及晶内超细晶结构，这些组织特征是决定制造后性能的关键。金属增材制造构件的强度大多远高于同质铸件水平，与锻件相当，有些材料甚至超过锻件水平。但是，由于构件中微孔、裂纹和熔池边界等冶金缺陷，导致成形零件的韧性略低。
5.致密度为零件的实际密度与理论标准密度的比值。致密度又称堆积比率或空间最大利用率，是指晶胞中原子本身所占的体积分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积的比值。致密度是决定零件力学性能的重要指标。致密度的高低会直接反映零件内部的粉末未完全融化、气孔、裂纹等缺陷的情况，而且与其他性能指标也有极大关联，因此可以说，致密度是反映增材制造中零件性能好坏最为本质的一个指标。
6.总的来说，金属增材制造技术能够直接成形力学性能优良、结构复杂的金属构件，具有传统加工方法无法比拟的优点，因此该技术有望为航空航天、国防工业重大装备中大型难加工金属构件的制造提供一条快速、柔性、低成本的技术新途径。但是，由于未能有效解决制造过程的热/内应力、内部缺陷、晶粒异常形核与长大、综合力学性能较锻件差等的控制问题，该技术还难以应用于航空航天关键及主承力构件、大型复杂模具等高端领域。
7.热等静压(hot isostatic pressing，hip)是一种集高温、高压于一体的处理工艺。被加工件在高温高压的共同作用下，各向均衡受压，故加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。增材制造成形制件不可避免存在孔洞与缺陷，需要借助外力作用来消除，而hip毫无疑问是最佳选择之一。hip工艺通过使材料发生蠕变及塑性变形，可减少部件内部的空隙及缺陷，甚至可使空隙和缺陷消失。
8.磁场已被证明是调节材料组织的一种有效方法，通过影响相变热力学和动力学条件改变了合金的微观结构、形态、组成分布和性能。磁场处理是将电磁能量引入材料或零件
中，从而达到改变其微观组织、形状、机械性能及服役性能的目的，具有作用范围、作用方式灵活可控的优势，可应用于材料成形、热处理及零件强化等领域，调控材料的微观组织与应力分布，最终得到服役性能良好的零件或构件。施加磁场作用时材料内部会因发热量的不同产生温度梯度，而这种温度梯度所产生的热压应力能够在一定程度上促进微区裂纹的修复；磁场处理能够降低相变形核势垒，提高形核率，可得到更加细小的晶粒，使得位错和沉淀从晶间团聚过渡到晶内分布，降低了晶界上的高位错密度，增加了组织均匀性，从而能够实现残余应力分布的均匀化和数值的整体降低；磁场处理通过改变位错的滑移模式，提高了材料的加工硬化速率，从而提升了其强度和延伸率。
9.为了充分发挥热等静压和磁场处理各自的优势，将两种工艺复合应用到金属增材制造后处理中，可加速金属结构件材料内部原子或空穴扩散与蠕变，促进内部位错运动速率与微观塑性变形累积，有效降低材料内部残余应力，进一步改善微观组织，大大提高材料致密度与综合力学性能，通过两者的耦合作用，取长补短，最大限度的实现金属增材制造构件残余应力-微观组织-力学性能协同调控。但是，作为一种全新的增材制造复合后处理工艺，不能完全采用现有单一工艺的评价与优化方法来考核该复合后处理工艺对增材制造构件的作用效果。因此，只有建立针对该新工艺特有的评价标准与优化方法，才能形成增材制造可以广泛应用的系统的标准体系，解决当前增材制造在很多领域还不能推广应用的一个关键障碍。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提出金属增材制造构件应力-组织-性能最优协同控制方法。利用电磁辅助热等静压的方式对金属增材制造构件进行后处理，基于响应曲面法定量研究金属增材制造工艺参数与电磁辅助热等静压工艺参数协同作用对金属增材制造构件残余应力、微观组织(晶粒度、致密度)与力学性能(屈服强度、延伸率)的作用机制与影响规律，将各个指标预测值的平均值和均匀性加权组合作为统一控制优化目标，利用改进模拟退火算法科学的、高效的、准确的寻求最佳工艺组合，最终给出金属增材制造构件残余应力-微观组织-力学性能最优协同控制方法。
11.为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
12.金属增材制造构件应力-组织-性能最优协同控制方法，包括以下步骤：
13.(a)对金属增材制造构件进行交变磁场和热等静压复合处理，主要内容包括：针对激光选区熔化、激光熔覆成形、电子束选区熔化、电子束熔丝沉积以及电弧增材制造成形的金属结构件，在特定高温高压容器中进行高温高压处理的同时，利用励磁线圈对其施加交变磁场；最后，通过各种检测手段结合数据分析获取复合处理金属增材制造构件各个选定区域的残余应力、晶粒度、致密度、屈服强度、延伸率；
14.(b)在保证试验结果可靠性、有效性的前提下，重复步骤(a)，基于工艺参数约束范围，根据中心复合响应曲面法设计金属增材制造构件应力-组织-性能最优协同控制工艺试验方案，试验因素分别为金属增材制造过程工艺参数x1,x2,
…
,xm，热等静压时的温度t
hip
、压力p
hip
、升温速率v
t
、降温速率v
′
t
、升压速率v
p
、卸压速率v
′
p
、保温时间t
t
、保压时间t
p
、温度与压力开始加载时刻差δt
tp
，以及交变磁场的磁场强度h、磁场频率f和磁场时间t；响应值为金属增材制造构件某个特定区域i的残余应力晶粒度zi、致密度ki、屈服强度
延伸率δi，最终采用线性回归的方法建立基于响应曲面法的残余应力、晶粒度、致密度、屈服强度、延伸率的预测模型；
15.进一步地，工艺参数约束范围是指以下参数的最大值和最小值：金属增材制造过程工艺参数x1,x2,
…
,xm，热等静压时的温度t
hip
、压力p
hip
、升温速率v
t
、降温速率v
′
t
、升压速率v
p
、卸压速率v
′
p
、保温时间t
t
、保压时间t
p
、温度与压力开始加载时刻差δt
tp
，以及交变磁场的磁场强度h、磁场频率f和磁场时间t。
16.进一步地，温度与压力开始加载时刻差δt
tp
：若δt
tp
＝0，则为同步加载，即温度和压力同时开始加载；若δt
tp
≠0，则为异步加载，其中，当δt
tp
＞0时，则先加载温度后加载压力，当δt
tp
＞0时，则先加载压力后加载温度；一般优选δt
tp
＞0，即先加载温度后加载压力。
17.(c)记录步骤(b)中所有试验结果中金属增材制造构件的残余应力最大值σ
rsmax
和最小值σ
rsmin
、晶粒度最大值z
max
和最小值z
min
、致密度最大值k
max
和最小值k
min
、屈服强度最大值σ
smax
和最小值σ
smin
、延伸率最大值δ
max
和最小值δ
min
；
18.(d)利用改进模拟退火算法寻求最佳工艺方案组合，实现对金属增材制造构件应力-组织-性能最优协同控制，建立各个指标(即响应值)的统一目标评价函数f(x)作为适应度函数来评价变量对应解的优劣，其值越小说明变量对应的解越好，其表达式及其相应约束条件为：
[0019][0020]
式中，x—设计变量，x＝[x1,x2,
…
,xm,t
hip
,p
hip
,v
t
,v
′
t
,v
p
,v
′
p
,t
t
,t
p
,δt
tp
,h,f,t]；
[0021]
α,λ1,λ2,λ3,λ4,v1,ξ2,ξ3,ξ4—加权系数，取值范围为0至1，各值大小可以根据对各项指标参数的不同需求在一定范围内进行适当调整；
[0022]
p—成形件选定区域总数；
[0023]
需要说明的是，公式中g1(x)用于评估指标的平均值水平，g2(x)用于评估指标的均匀性，且需要保证各项分式中的分母不为零；
[0024]
需要说明的是，对于金属增材制造工艺参数x1,x2,
…
,xm，主要包括以下内容：
[0025]
若金属增材制造工艺为激光选区熔化，则m＝10，x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x
10
分别为激光功率、光斑直径、离焦量、加工距离、扫描速率、扫描间距、单层厚度、粉末预热温度、基材预热温度、保护气气压；
[0026]
若金属增材制造工艺为激光熔覆成形，则m＝10，x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x
10
分
别为激光功率、光斑直径、离焦量、加工距离、熔覆速率、搭接率、送粉速率、粉末预热温度、基材预热温度、保护气气压；
[0027]
若金属增材制造工艺为电子束选区熔化，则m＝10，x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x
10
分别为电子束电流、加速电压、聚焦电流、加工距离、扫描速率、扫描间距、单层厚度、粉末预热温度、基材预热温度、真空度；
[0028]
若金属增材制造工艺为电子束熔丝沉积，则m＝9，x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9分别为电子束电流、加速电压、聚焦电流、加工距离、熔积速率、熔积间距、送丝速率、基材预热温度、真空度；
[0029]
若金属增材制造工艺为电弧增材制造，则m＝9，x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9分别为焊接电压、焊接电流、电流频率、加工距离、成形速率、成形间距、送丝速率、基材预热温度、保护气气压；
[0030]
(e)初始化，定义初始温度ti＝t0＝0，初始解状态xi＝x0，令当前迭代次数k＝0，并将最大迭代次数k
max
作为寻优终止条件；
[0031]
进一步地，最大迭代次数k
max
取值范围为100～1000。
[0032]
(f)当k≤k
max
时，独立产生n次随机扰动，得到n个解，选取这n个解中最好解xj；
[0033]
(g)计算增量δf(x)＝f(xj)-f(xi)，若δf(x)≤0，则接受新解状态xi＝xj，同时令ti＝t0×
1.01k，k＝k 1，否则转入步骤(f)；重复迭代，直至当前解状态xi在若干轮后始终保持不变，转入步骤(h)；
[0034]
(h)重复步骤(f)和步骤(g)，直至满足k＞k
max
时停止迭代循环，输出所得温度和初始解转入步骤(i)，否则，转入步骤(f)；
[0035]
(i)以步骤(h)中的温度和初始解状态作为初始温度和初始解状态开始退火，令当前迭代次数k
′
＝0，并将最大迭代次数k
′
max
和最小温度阈值tm′
ax
作为寻优终止条件；
[0036]
进一步地，最大迭代次数k
′
max
取值范围为100～1000。
[0037]
(j)当k
′
≤k
′
max
且t
′i≥t
′
max
时，令δx
′
为小的均匀分布的随机扰动；
[0038]
(k)计算增量δf(x
′
)＝f(x
′j)-f(x
′i)，若δf(x
′
)≤0，则接受新解状态x
′i＝x
′j，转入步骤(j)；若δf(x
′
)＞0且exp(-δf/(k
β
ti′
))≥rand(0,1)，其中，k
β
为玻尔兹曼常数，则接受新解xi′
＝x
′j，转入步骤(j)；若δf(x
′
)＞0且exp(-δf/(k
β
t
′i))＜rand(0,1)，则直接转入步骤(j)；重复迭代，经过充分搜索后，若干轮后若当前解状态x
′i均保持不变时，则转入步骤(l)；
[0039]
(l)令t
′i＝t
′0×
0.99k′
，k
′
＝k
′
1，重复步骤(j)和步骤(k)，直至满足k
′
＞k
′
max
或ti′
＜t
′
max
时停止迭代循环，转入步骤(m)；
[0040]
(m)输出当前解作为最优温度和最优解即得到金属增材制造构件应力-组织-性能最优协同控制方法。
[0041]
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
[0042]
与现有技术相比，本发明实现了金属增材制造构件残余应力、微观组织(晶粒度、
致密度)与力学性能(屈服强度、延伸率)的最优协同控制，主要存在以下优势：(1)将磁场处理与热等静压复合应用到金属增材制造后处理工艺中，考虑金属增材制造成形工艺与电磁辅助热等静压复合后处理工艺的耦合机制与协同作用，提出成形与后处理工艺参数对构件残余应力、微观组织与力学性能作用效果的评价方法，解决了当前评价标准欠缺的问题，为丰富与完善增材制造标准体系提供重要参考依据；(2)相对于常规模拟退火算法，改进的模拟退火算法通过改进初始温度和初始解的选取方式，减少总运行时间，降低多次重复试验所得解的离散型，提高算法鲁棒性和稳定性，再者，通过改进新解产生方式，增加了搜索过程的灵活性，提高算法全局最优解的可靠性，保证算法的稳健性，使得常规模拟退火算法具备更优良的性质；(3)基于改进智能优化算法，实现金属增材制造构件应力-组织-性能“由线及体”逐步控制，为复杂构件增材制造宏/微观成形过程与后处理的精确化、稳定化控制提供关键工艺优化方法，这是增材制造构件控形、控性调控技术的关键基础，对于后处理在增材制造的串行生产应用以及促进增材制造技术应用于航空航天关键及主承力构件、大型复杂模具等高端领域意义重大。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0044]
图1为金属增材制造构件应力-组织-性能最优协同控制方法总流程图；
[0045]
图2为实施例中电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)成形件交变磁场和热等静压复合处理工艺设备结构示意图；
[0046]
其中：1-励磁线圈；2-成形件；3-高温高压容器。
具体实施方式
[0047]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式，相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0048]
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在以下实施例中未做具体说明的部分，均为本领域技术人员所公知的现有技术，在此不进行赘述。
[0049]
本实施例选用电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)成形件作为试验对象，通过气雾化法制备粉末，粉末粒度为48～150μm，成形底板为316l不锈钢，在真空环境下成形。
[0050]
金属增材制造构件应力-组织-性能最优协同控制方法，包括以下步骤(总流程图如图1所示)：
[0051]
(a)对金属增材制造构件进行交变磁场和热等静压复合处理，主要内容包括：如图2所示，针对电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)成形件2，在特定高温高压容器3中进行高温高压处理的同时，利用励磁线圈1对其施加交变磁场，加速电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)成形件材料内部原子或空穴扩散与蠕变，促进内部位错运动速率与微观塑性变形累积，有效降低材料内部残余应力，进一步改善微观组织，大大提高材料致密度与综合力学性能；最后，通过各种检测手段结合数据分析获取复合处理电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)成形件2各个选定区域的残余应力、晶粒度、致密度、屈服强度、延伸率；
[0052]
(b)在保证试验结果可靠性、有效性的前提下，重复步骤(a)，基于工艺参数约束范围，根据中心复合响应曲面法设计电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)成形件应力-组织-性能最优协同控制工艺试验方案，试验因素分别为电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)增材制造过程工艺参数x1,x2,
…
,xm，热等静压时的温度t
hip
、压力p
hip
、升温速率v
t
、降温速率v
′
t
、升压速率v
p
、卸压速率v
′
p
、保温时间t
t
、保压时间t
p
、温度与压力开始加载时刻差δt
tp
＞0，即先加载温度后加载压力，以及交变磁场的磁场强度h、磁场频率f和磁场时间t；响应值为电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)成形件某个特定区域i的残余应力晶粒度zi、致密度ki、屈服强度延伸率δi，最终采用线性回归的方法建立基于响应曲面法的残余应力、晶粒度、致密度、屈服强度、延伸率的预测模型；
[0053]
(c)记录步骤(b)中所有试验结果中电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)成形件的残余应力最大值σ
rsmax
和最小值σ
rsmin
、晶粒度最大值z
max
和最小值z
min
、致密度最大值k
max
和最小值k
min
、屈服强度最大值σ
smax
和最小值σ
smin
、延伸率最大值δ
max
和最小值δ
min
；
[0054]
(d)利用改进模拟退火算法寻求最佳工艺方案组合，实现对电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)成形件应力-组织-性能最优协同控制，依据公式(1)建立各个指标(即响应值)的统一目标评价函数f(x)作为适应度函数，其中，α＝0.5，ξ1＝λ2＝λ3＝ξ4＝0.2，ξ1＝ξ2＝ξ3＝ξ4＝0.2，同时建立相应的约束条件；
[0055]
(e)初始化，定义初始温度ti＝t0＝0，初始解状态xi＝x0，令当前迭代次数k＝0，并将最大迭代次数k
max
＝200作为寻优终止条件；
[0056]
(f)当k≤k
max
时，独立产生n＝4次随机扰动，得到4个解，选取这4个解中最好解xj；
[0057]
(g)计算增量δf(x)＝f(xj)-f(xi)，若δf(x)≤0，则接受新解状态xi＝xj，同时令ti＝t0×
1.01k，k＝k 1，否则转入步骤(f)；重复迭代，直至当前解状态xi在若干轮后始终保持不变，转入步骤(h)；
[0058]
(h)重复步骤(f)和步骤(g)，直至满足k＞200时停止迭代循环，输出所得温度和初始解转入步骤(i)，否则，转入步骤(f)；
[0059]
(i)以步骤(h)中的温度和初始解状态作为初始温度和初始解状态开始退火，令当前迭代次数k
′
＝0，并将最大迭代次数k
′
max
＝200和最小温度阈值
t
′
max
＝20作为寻优终止条件；
[0060]
(j)当k
′
≤200且t
′i≥20时，令δx
′
为小的均匀分布的随机扰动；
[0061]
(k)计算增量δf(x
′
)＝f(x
′j)-f(x
′i)，若δf(x
′
)≤0，则接受新解状态x
′i＝x
′j，转入步骤(j)；若δf(x
′
)＞0且exp(-δf/(kβt
′i))≥rand(0,1)，其中，k
β
为玻尔兹曼常数，则接受新解x
′i＝x
′j，转入步骤(j)；若δf(x
′
)＞0且exp(-αf/(k
β
t
′i))＜rand(0,1)，则直接转入步骤(j)；重复迭代，经过充分搜索后，若干轮后若当前解状态x
′i均保持不变时，则转入步骤(l)；
[0062]
(l)令t
′i＝t
′0×
0.99k′
，k
′
＝k
′
1，重复步骤(j)和步骤(k)，直至满足k
′
＞200或t
′i＜t
′
max
时停止迭代循环，转入步骤(m)；
[0063]
(m)输出当前解作为最优温度ty＝t
′
0*
和最优解xy＝x
′
0*
，即得到电子束选区熔化ti-al基合金(ti-47al-2cr-2nb)成形件应力-组织-性能最优协同控制方法，主要包括以下参数：电子束选区熔化工艺参数：电子束电流x
1y
＝15ma、加速电压x
2y
＝50kv、聚焦电流x
3y
＝32ma、加工距离x
4y
＝800mm、扫描速率x
5y
＝4500mm/s、扫描间距x
6y
＝200μm、单层厚度x
7y
＝50μm、粉末预热温度x
8y
＝750℃、基材预热温度x
9y
＝850℃、真空度x
10y
＝2
×
10-1
pa；热等静压时的温度t
hipy
＝950℃、压力p
hipy
＝110mpa、升温速率v
ty
＝9℃/min、降温速率v
′
ty
＝4℃/min、升压速率v
py
＝2mpa/min、卸压速率v
′
py
＝0.5mpa/min、保温时间t
ty
＝170min、保压时间t
py
＝120min、温度与压力开始加载时刻差δt
tpy
＝50min，以及交变磁场的磁场强度hy＝2a/m、磁场频率fy＝20hz和磁场时间ty＝80min。
[0064]
需要说明的是，本发明优化的工艺参数为金属增材制造过程工艺参数，热等静压时的温度、压力、升温速率、降温速率、升压速率、卸压速率、保温时间、保压时间、温度与压力开始加载时刻差，以及交变磁场的磁场强度、磁场频率和磁场时间，为了快速有效的实现金属增材制造构件应力-组织-性能最优协同控制方法，可根据实际需求酌情予以适当增添或删减某个或某些工艺参数，只需在本发明提出的优化模型基础上稍加改进即可。
[0065]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。