新型低能电磁冲击技术调控TC11钛合金α/β界面结构及优化抗冲击性能的试验验证与机理阐释——揭示电磁振荡动应力诱发晶界起皱界面桥接的物理本质，为钛合金无热损伤微观改性与韧性提升提供理论及试验支撑

TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V) 合金是一种高铝当量的近 α 钛合金，其使用温度高、比强度高、可焊性好和抗蠕变，常应用于飞行器主承力构件制造。与传统加工方式相比，激光直接沉积工艺 (L-DED) 具有原材料利用率高、制造周期短、力学性能好等显著优势。通过 L-DED 工艺制造大尺寸 TA15 构件，已展现出巨大的潜力，获得了研究人员的关注。

由于 TA15 导热率较低，在 L-DED 工艺冷热快速交替变换的条件下，将产生较大温度梯度，构件残余应力大、易发生变形，增加了制造的周期和成本。然而，L-DED 工艺制备的小尺寸试样，通常难以反映 L-DED 大尺寸构件的残余应力分布和变形规律。因此，展开对 L-DED 制造大尺寸构件的相关研究势在必行。由于现有增材制造设备和工艺限制，在制造米级大尺寸构件时通常需要采用多工序复合制造，例如，需要先将大尺寸结构分成多个部分，通过激光直接沉积制造出各个部分，然后进行去应力退火，最后进行焊接，实现大尺寸结构制造。

有限元仿真是研究构件加工过程中应力与变形行为的重要方法，常用的仿真软件有 ANSYS、Simufact 和 Abaqus 等。石齐民等研究了 TiC/Inconel718 复合材料的成形质量，通过 ANSYS 软件建立了成形过程的数学模型，结果发现工艺参数影响了成形件孔隙率。李波利用 Simufact.forming 对 GH3044 合金异形截面环坯的塑性成形过程进行动态模拟仿真，分析轧制过程中环件的温度场、应变场和轧制力的分布情况及随时间的变化规律，并对产品的工艺参数的设计和优化起到积极的指导作用。在进行大尺寸构件制造过程的仿真时，由于模型网格数量大、节点数多，导致求解过程的计算量较大。此外，多工序仿真时数据的有效传输、边界条件的自由变换等因素，也是限制大尺寸构件实际制造过程仿真的重要因素，因此，需要选择合适的软件。与其他软件相比，Simufact 多步同时计算能力强，支持多工序连续求解，在进行 L-DED 制造大尺寸构件过程求解时具有显著的优势。

因此，文章采用 Simufact 软件对 TA15 钛合金框梁结构进行制造全流程仿真，分析不同工序对大尺寸构件成形后残余应力和变形的影响规律，讨论了误差累积对多工序仿真的影响。文章研究为 TA15 钛合金大尺寸构件的全流程工艺优化，提供了重要的实践参考。

1、TA15 大尺寸构件有限元模型的建立

1.1 增材制造及焊接热源设置

Simufact Welding 具有高斯热源和双椭球热源两种内置热源模型，文章中激光直接沉积工艺和焊接工艺都使用的激光为高斯光源，因此采用高斯热源模型。通过设置热源的运动轨迹，可以激活模型的对应单元，从而模拟实际的激光加热过程，具体热源参数如表 1 所示。

此外，文章中激光直接沉积增材制造采用的激光功率为 3kW，扫描速度为 20mm/s，扫描间距为 2mm，层厚为 2mm。

1.2 增材制造及焊接的仿真模型

1.2.1 G-code 生成

文章采用 Slic3r 切片软件生成模型的 G-code，对软件的切片参数进行设置，参考 TA15 激光直接沉积和焊接工艺参数，扫描间距设置为 5mm，层厚设置为 2mm，生成各个结构的 G-code。需要注意的是，由于 Slicr3r 软件生成的 G-code 语句并不能被 Simufact Welding 软件完全读取，需要对生成的 G-code 进行处理，修改无法识别的语句。

1.2.2 模型的网格划分

文章以大尺寸框梁为研究对象，将大尺寸框梁拆分成 A 和 B 两个结构。其中，结构 A 尺寸 925mm×840mm×42mm，结构 B 尺寸 300mm×690mm×42mm。为提高计算效率，对框梁模型进行像素化网格处理，即通过相同尺寸的六面体有限元网格对框梁模型进行网格划分，网格尺寸 8mm×8mm×2mm。经过网格划分，结构 A 模型中共有 96080 个像素单元和 77676 个节点，结构 B 模型中共有 17524 个像素单元和 23072 个节点。此外，在框梁下方设置 50mm 厚的平板作为打印基板，设置基板为固定形状。

1.3 去应力退火热处理工艺的仿真模型

文章参考国标《钛及钛合金制件热处理》GB/T 37584-2019 进行激光直接沉积 TA15 钛合金的去应力退火热处理，升温速度为 10℃/min，保温温度为 650℃，保温时间为 2h，最后通过炉冷进行降温。

2、仿真结果与分析

2.1 激光直接沉积

激光直接沉积结构 A 和结构 B 的残余应力及变形仿真结果，如图 2 (a)、图 2 (b) 所示。其中，结构 A 整体残余应力较小，集中于 300~700MPa，结构 B 整体残余应力较大，集中于 500~900MPa，这主要是由于结构 B 尺寸更大，打印时间更长，热历史更复杂。此外，结构 A 和结构 B 的底板残余应力大、顶部残余应力小，在肋板的边缘，甚至存在低应力区域。

激光直接沉积结构 A 和结构 B 的变形情况放大 5 倍后，如图 2 (c)、图 2 (d) 所示。由于在打印过程中，结构的底部与基板冶金结合，几乎不发生变形，因此，结构变形主要为肋板侧边缘的向内收缩。整体来说，激光直接沉积阶段两个结构发生的变形较小，主要在 0~0.6mm。

通过截取结构 A 和结构 B 内部 0mm、10mm、20mm、30mm 和 40mm 五个位置的残余应力分布，如图 3 所示。由图 3 可知，在结构内部也表现出底部残余应力低、顶部残余应力高的分布规律，两个结构焊接区域的残余应力远低于结构中间区域的。

2.2 去应力退火热处理

结构 A 和结构 B 去应力热处理仿真结果，如图 4 所示。与图 3 相比，结构 A 和结构 B 的残余应力从 500~900MPa (主要集中于 800MPa) 降低至 100~700MPa (主要集中于 300MPa)。此时，结构发生了少量变形，结构 A 变形主要集中于两端，结构 B 为四周变形量大、中心变形量小。

2.3 大尺寸框梁的焊接

焊接前后结构整体的残余应力分布，如图 5 (a)、图 5 (b) 所示。由仿真结果可知，经过焊接结构整体的残余应力发生了少量的降低，残余应力分布主要集中于 300~500MPa，减小为 200~400MPa，结构边缘的残余应力获得了少量的释放。如图 6 (a) 和图 6 (b) 所示，经过焊接，焊缝热影响区位置的残余应力显著降低，但其集中趋势并没有发生改变。

3、结论

综上所述，L-DED 成形的结构 A、B 均呈底板残余应力高、顶部低的分布特征，肋板边缘存在低应力区；退火热处理后两结构均轻微变形，结构 A 变形集中于两端，结构 B 则四周变形大、中心小；焊接过程中结构整体残余应力无明显变化，焊缝热影响区残余应力显著降低。

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（注，原文标题：大尺寸TA15构件激光直接沉积制造全流程仿真研究_汪鑫）