在这个问题上
在工程前沿冬季桥
2019年12月18日 体积 49 问题 4

用于添加制造部件的设计和鉴定计算材料

星期三,2019年12月18日

作者: christapher克郎

NASA正在开发下一代的计算能力,以支持材料航天应用添加制造-structural金属部件的资格。部件的质量直接这些费用将是广泛的工艺参数,条件和原料包括构建属性。计算材料研究的目的是开发性质的依赖和性能部分工艺参数的一个基本的了解和运用这种理解有效率的做法资格。

集成多尺度建模方法允许处理 - 结构 - 性能关系,包括缺陷的效果的预测。 ESTA纸principalmente重在粉末床融合过程及其对航天飞行系统应用,原位监测的讨论中,处理与残余应力包括微观结构的bt365体育在线,和微观结构与性能的bt365体育在线。计算材料研究添加剂制造(AM)进程将使高效,精确的设计,制造,航空航天未来飞行系统的认证。

介绍

上午,虽然技术最近经历显著的增长潜力和宣传其显着改造制造业,它的承诺是有限的应用由于缺乏零件质量的信心。在材料特性,一致性和过程控制的改进是必要的点,实现增强的性能做广告的潜力,降低的成本,以及制造速度提高;例如,点到断裂关键部件的应用需要大量的努力飞行资格。

添加剂制造包括多种材料(例如,金属,聚合物和陶瓷)和处理(例如,粉末床,吹制粉末,金属丝进料,激光和电子束)。部分的质量和一致性依赖于被选择或调整为每个组件许多工艺特有的参数。

激光粉末融合床

我集中于激光粉末融合床(lpbf),用于金属上午过程中,虽然许多途径可应用于范围广泛的材料和制造工艺。 lpbf参数空间家道激光功率,扫描速度,激光光斑尺寸,扫描策略,原料,零件几何形状,和机器的状况的。的工艺参数而产生的选择确定部件性能和微观结构。

用于机器鉴于​​材料的各种工艺参数的库和确定为通过点的供应商或单个实验室物理试验,对每个新的零件的几何形状或粉末供应需要额外的测试已经。集成计算材料工程(ICME)接近你减少物理测试并通知设计工程师关于预期的具体工艺参数不利于性能的量(Turner等的。2015年)。

美国航空航天局正在为载人航天火箭上午发动机部件。到地址一致的框架,具体的生产和lpbf过程的评价燃眉之急,标准已经对材料,工艺控制,人员培训,检查和验收要求释放由马歇尔航天飞行中心(MSFC 2017A,B)。同时,ICME设计和航天上午材料和部件的资格的做法被美国航天局开发了他们,并提供走向快速制造和资格的路径。

改进的监测和AM提供了改进的过程的一致性和更复杂的设计的理解:诸如多合金功能梯度材料和组件。当原位过程监控结合,计算建模启用的制造工艺的限制和能力以及考虑的开发和集成:如在部件设计检查的资格要求。

过程时许计算模型

过程建模用于开发该工艺参数,原料,显微结构演变和孔隙率,和机械性质通过求解控制方程的过程的物理RESULTING之间的关系的理解。判定温度的历史,由于残余应力,组织演变,和孔隙度变形是当前在过程模拟努力的目标。

物理

我的方法的建模需要一个多尺度方法来精确计算在多个长度尺度从微结构部件的物理过程。准确的温度历史和熔融池几何形状是必要了解微观结构,缺陷的形成,并且残余应力的形成。温度历史是由数字模型在不同级别的保真度的预测。各种物理熔融,蒸发,流体流动,反冲压力,粉末堆积密度,和表面张力被并入,以改善增加模型的精度。到可以承接精度和计算资源的需求,热模型被限制为一个通常的低数目扫描磁迹和粉末层。

残余应力的形成模拟需要在AM构建一个比例放大到帐户为高效的许多层。一个有前途的方法用于预测残余应力是修改的固有应变的方法,其计算在扫描轨道衡的应变和强加在层 - 层的方式菌株的一部分规模机械分析(Liang等的。2018)。相场和动力学蒙特卡罗模型用于依赖于原料和温度历史模拟晶粒结构。

多孔性

孔隙率的两个源在lpbf过程是未熔合和锁眼的。从模式熔池转换到模式传导锁孔激光功率以提高速度和降低的扫描。锁孔模式时发生蒸汽与深度与宽度的高空腔形式的纵横比相比,导通模式(特普等的。2017年)。与此相反,缺乏聚变功率的不足时发生的孔隙度和连续的熔体池的重叠被充分施加到熔化粉末。避免缺乏平衡用于融合和锁孔孔隙度是由所选择的过程参数来确定(Tang等的。2017年)。

孔隙率不能完全避免的,其对部分性能的影响取决于应用。微机械模拟定量地表征的孔隙率和其他非均质性的影响在微观结构上由lpbf生产的部件的机械性能。孔隙率被嵌入在处理特定的模型的微观结构,并且在孔隙度附近异构应变局部化解决作为孔的形状,大小,密度和靠近自由表面的函数。

在现场处理数据

设计和部件感到资格,实验数据需要捕获关键事件和行为在制造过程中。为此,

  • 粉末床系统正在装备有传感器和测量装置来记录数据在制造过程中。
  • 提供关键的数据监测系统,有必要了解该事件的过程中,进行反馈控制,诊断机操作和验证计算模型。
  • 关键过程测量包括温度历史,熔池尺寸,和缺陷的形成。

原位数据提供了一个组件构建的历史收集可用于识别关键事件在这个过程中,可能会影响零件质量。

在阿贡国家实验室先进光子源动态的X射线照相术(DXR) - 提供所述lpbf过程的高速视频截面(Zhao等的。2017年)。实时成像数据的产率相对于激光的位置,包括熔池的尺寸,锁孔行为,凝固速度,和孔隙率的形成。 DXR数据帮助表征关于各种原料材料的组合物和底板以及改变激光参数熔池和凝固行为。

摘要

计算模型支持的认证工作需要实现的添加剂制造的设计和制造航空零部件的全部潜力。一个大的设计空间存在点多,一个ICME方法流程设计和组件将通过资格努力的支持改进过程的理解和 - 应用 - 设备专用的需求控制。这仿真工具协助进行过程监控和设计时,特定组件将导致超出帮助达到甚至设计规范微观结构参数选择。

微机械部件分析性能特性模拟为过程特定的微结构包含缺陷的效果。集成计算建模和原位过程监控提供路径心志加速设计和航空航天部件的资格。

引用

梁X,L程,陈Q,Q阳,交流。 2018年,用于估计从详细过程模拟固有菌株单壁结构的快速预测残差失真的改进方法制造通过定向能量沉积。添加剂制造23:471-86。

MSFC [马歇尔太空飞行中心。 2017A。标准用于相加由激光航天硬件粉末床融合金属制造。技术标准-msfc-STD-3716。亨茨维尔他。

MSFC。 2017B。规范控制和激光粉末融合床冶金工艺的资格。技术标准MSFC-SPEC-3717。亨茨维尔他。

唐男,皮斯托留斯PC,JL Beuth。 2017年预测缺的融合粉末床孔隙度融合。添加剂制造14:39-48。

特拉普Ĵ,rubenchik时许,GUSS克,马修斯MJ。 2017年的吸收率的测量中的金属粉末的过程中原位激光粉末床的添加剂制造融合。 341-49: - 材料今天9应用。

特纳公顷SS巴布,蓝色C。 2015年的添加剂制造先进的模拟:通过合作应对挑战。 ORNL / TM-2015/324橡树岭田纳西橡树岭国家实验室。

照C,K fezzaa,坎宁安RW,文小时,卡罗F,L陈,Rollett广告,吨的太阳。 2017年实时采用高速X射线成像和监测衍射激光粉末床熔化过程。科学报告7(1):3602。

关于作者:christapher lang是在NASA兰利研究中心的航空航天工程师。