面向尺度效应的粉末床熔融结构力学性能表征及预测方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种面向尺度效应的粉末床熔融结构力学性能表征及预测方法。

背景技术

以激光和电子束为能量源的粉末床熔融技术作为高性能金属增材制造的代表性技术，极大满足了航空航天等领域关键构件轻量化、功构一体化创新结构设计的制造需求，并已获得广泛应用。由于激光光斑和电子束斑的直径细小(20μm～200μm)，该技术可以制造传统加工方法难以实现的精密复杂结构，并能够实现μm级和mm级尺度结构共存的数百mm级跨尺度结构的直接制造。然而，以往针对粉末床熔融成形力学性能的评价，依然沿用传统制造技术成形材料的研究方法，以具有机械加工光洁表面的标准结构尺度试样为研究对象来获得材料的力学性能，但是当前标准力学性能试样的结构尺度较大，其变化范围是3mm～25mm，这并不能准确反应跨尺度结构不同部位的实际材料特性。忽视这一问题，将标准结构尺度试样的力学性能数据作为跨尺度结构优化设计的材料力学性能输入，将导致粉末床熔融成形件的实际功能和性能与设计要求存在显著差异。因此，建立面向尺度效应的粉末床熔融结构力学性能表征及预测方法，实现跨尺度结构不同部位力学性能的准确预测，对于粉末床熔融成形高性能、轻量化、功能一体化跨尺度创新结构的优化设计至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种面向尺度效应的粉末床熔融结构力学性能表征及预测方法，能够准确预测跨尺度结构不同部位的力学性能，为跨尺度创新结构的优化设计奠定重要的技术基础，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：面向尺度效应的粉末床熔融结构力学性能表征及预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、适用于力学性能测试的粉末床熔融成形系列结构尺度试样设计：利用粉末床熔融技术设计适用于力学性能测试且具有不同结构尺度的力学性能试样；

所述粉末床熔融技术包括激光粉末床熔融技术和电子束粉末床熔融技术；

所述力学性能试样包括用于拉伸、疲劳和压缩性能测试的试样；

其中，用于拉伸和疲劳性能测试的试样均由平行端、夹持端和过渡端组成，其中，平行端是承受拉伸和循环载荷的部位，其结构类型包括圆柱体结构和矩形板结构，平行端结构尺度反映的就是用于拉伸和疲劳性能测试的试样的结构尺度，当平行端为圆柱体结构时，试样的结构尺度为圆柱体结构的直径；当平行端为矩形板结构时，试样的结构尺度为矩形板结构的厚度；夹持端和过渡端用于辅助完成拉伸和疲劳测试，夹持端用于试样保护且与力学性能测试设备的夹头适配，过渡端用来确保夹持端和平行端实现平滑过渡且具有粉末床熔融成形后带有粘粉的原始粗糙表面，其中，试样断裂发生在平行端；

用于压缩性能测试的试样的结构类型包括圆柱体结构和正方形柱体结构，当试样为圆柱体结构时，试样的结构尺度为圆柱体结构的直径；当试样为正方形柱体结构时，试样的结构尺度为正方形柱体结构的边长；

步骤二、制定力学性能试样成形工艺：调整影响粉末床熔融成形特性的重要因素，开展不同结构尺度力学性能试样在同一基板上的成形工艺优化过程，最后获得针对所有不同结构尺度力学性能试样的最优成形工艺，确保所有试样的成形质量具有高度的一致性；

所述影响粉末床熔融成形特性的重要因素包括激光模式或电子束模式、激光光斑直径或电子束斑直径、基板预热温度、成形气氛、激光功率或电子束功率、扫描速度、扫描间距、铺粉层厚、扫描策略、力学性能试样在基板上的摆放位置及成形先后顺序；

步骤三、粉末床熔融成形不同结构尺度的力学性能试样：采用步骤二中相同的最优粉末床熔融成形工艺制备不同结构尺度的力学性能试样，所有试样均具有粉末床熔融成形后带有粘粉的原始粗糙表面；

步骤四、不同结构尺度试样的力学性能表征：使用力学性能测试设备对步骤三中的所有力学性能试样进行测试，获得粉末床熔融成形不同结构尺度力学性能试样的力学性能；

所述力学性能测试设备包括电子万能材料试验机和疲劳试验机；

所述力学性能包括抗拉强度、疲劳强度和抗压强度；

步骤五、建立粉末床熔融成形不同结构尺度条件下力学性能的BP神经网络预测模型：以粉末床熔融成形不同结构尺度力学性能试样的结构类型、结构尺度值和影响粉末床熔融成形特性的重要因素为BP神经网络预测模型的输入层节点，以粉末床熔融成形力学性能试样的力学性能为BP神经网络预测模型的输出层节点，建立粉末床熔融成形不同结构尺度条件下力学性能的BP神经网络预测模型；

步骤六、粉末床熔融成形件力学性能预测：选取一个适用于力学性能测试的粉末床熔融成形件，根据成形件的结构特点分解梳理若干类特征结构，提取特征结构各自的结构类型和结构尺度，并调取影响粉末床熔融成形特性的重要因素，然后将特征结构相应的结构类型、结构尺度值和影响粉末床熔融成形特性的重要因素输入至步骤五中的BP神经网络模型中获得各特征结构相应的力学性能预测值，通过对比所有特征结构力学性能的预测值来实现粉末床熔融成形件力学性能的预测。

上述的面向尺度效应的粉末床熔融结构力学性能表征及预测方法，其特征在于：所述结构尺度范围为0.05mm～50mm。

本发明的有益效果是提出了面向尺度效应的粉末床熔融结构力学性能表征及预测方法，通过考虑粉末床熔融成形结构尺度对力学性能的影响，建立了基于BP神经网络模型的力学性能预测方法，能够快速获取不同结构尺度对应的力学性能，从而实现了对成形件力学性能的预测；该方法在无需破坏结构提取力学性能试样进行测试的前提下，可以准确预测粉末床熔融成形跨尺度结构不同部位的力学性能，这为跨尺度结构设计的性能参数设定奠定了重要基础，有助于大幅提高结构设计的准确性，并显著减小了创新结构设计与实际成形件功能/性能效果之间的差异，同时，该方法极大缩短了结构设计周期，提高了设计效率，节约了大量的时间和经济成本；本发明的实施为航空航天等领域高性能、轻量化、功构一体化跨尺度创新结构的优化设计提供了重要的技术支撑，进一步拓宽了粉末床熔融技术的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为本发明实施例中平行端为圆柱体结构的拉伸和疲劳试样的几何形状及尺寸示意图。

图3为本发明实施例中平行端为矩形板结构的拉伸和疲劳试样的几何形状及尺寸示意图。

图4为本发明实施例中圆柱体结构的压缩试样的几何形状及尺寸示意图。

图5为本发明实施例中正方形柱体结构的压缩试样的几何形状及尺寸示意图。

图6为本发明实施例中所有不同结构尺度的拉伸试样在基板上的摆放位置以及成形顺序示意图。

图7为本发明实施例中所有不同结构尺度的拉伸试样的成形质量具有高度的一致性示意图。

图8为本发明实施例中结构尺度对激光粉末床熔融成形拉伸性能的影响示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的面向尺度效应的粉末床熔融结构力学性能表征及预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、适用于力学性能测试的粉末床熔融成形系列结构尺度试样设计：利用粉末床熔融技术设计适用于力学性能测试且具有不同结构尺度的力学性能试样；

所述粉末床熔融技术包括激光粉末床熔融技术和电子束粉末床熔融技术；

所述力学性能试样包括用于拉伸、疲劳和压缩性能测试的试样；

其中，用于拉伸和疲劳性能测试的试样均由平行端、夹持端和过渡端组成，其中，平行端是承受拉伸和循环载荷的部位，其结构类型包括圆柱体结构和矩形板结构，平行端结构尺度反映的就是用于拉伸和疲劳性能测试的试样的结构尺度，当平行端为圆柱体结构时，试样的结构尺度为圆柱体结构的直径；当平行端为矩形板结构时，试样的结构尺度为矩形板结构的厚度；夹持端和过渡端用于辅助完成拉伸和疲劳测试，夹持端用于试样保护且与力学性能测试设备的夹头适配，过渡端用来确保夹持端和平行端实现平滑过渡且具有粉末床熔融成形后带有粘粉的原始粗糙表面，其中，试样断裂发生在平行端；

用于压缩性能测试的试样的结构类型包括圆柱体结构和正方形柱体结构，当试样为圆柱体结构时，试样的结构尺度为圆柱体结构的直径；当试样为正方形柱体结构时，试样的结构尺度为正方形柱体结构的边长；

步骤二、制定力学性能试样成形工艺：调整影响粉末床熔融成形特性的重要因素，开展不同结构尺度力学性能试样在同一基板上的成形工艺优化过程，最后获得针对所有不同结构尺度力学性能试样的最优成形工艺，确保所有试样的成形质量具有高度的一致性；

所述影响粉末床熔融成形特性的重要因素包括激光模式或电子束模式、激光光斑直径或电子束斑直径、基板预热温度、成形气氛、激光功率或电子束功率、扫描速度、扫描间距、铺粉层厚、扫描策略、力学性能试样在基板上的摆放位置及成形先后顺序；

步骤三、粉末床熔融成形不同结构尺度的力学性能试样：采用步骤二中相同的最优粉末床熔融成形工艺制备不同结构尺度的力学性能试样，所有试样均具有粉末床熔融成形后带有粘粉的原始粗糙表面；

步骤四、不同结构尺度试样的力学性能表征：使用力学性能测试设备对步骤三中的所有力学性能试样进行测试，获得粉末床熔融成形不同结构尺度力学性能试样的力学性能；

所述力学性能测试设备包括电子万能材料试验机和疲劳试验机；

所述力学性能包括抗拉强度、疲劳强度和抗压强度；

步骤五、建立粉末床熔融成形不同结构尺度条件下力学性能的BP神经网络预测模型：以粉末床熔融成形不同结构尺度力学性能试样的结构类型、结构尺度值和影响粉末床熔融成形特性的重要因素为BP神经网络预测模型的输入层节点，以粉末床熔融成形力学性能试样的力学性能为BP神经网络预测模型的输出层节点，建立粉末床熔融成形不同结构尺度条件下力学性能的BP神经网络预测模型；

步骤六、粉末床熔融成形件力学性能预测：选取一个适用于力学性能测试的粉末床熔融成形件，根据成形件的结构特点分解梳理若干类特征结构，提取特征结构各自的结构类型和结构尺度，并调取影响粉末床熔融成形特性的重要因素，然后将特征结构相应的结构类型、结构尺度值和影响粉末床熔融成形特性的重要因素输入至步骤五中的BP神经网络模型中获得各特征结构相应的力学性能预测值，通过对比所有特征结构力学性能的预测值来实现粉末床熔融成形件力学性能的预测。

本实施例中，所述结构尺度范围为0.05mm～50mm。

本发明使用时，参考标准结构尺度的拉伸、疲劳和压缩试样的几何形状及尺寸，并结合激光粉末床熔融技术的成形工艺特性，设计了适用于拉伸、疲劳和压缩性能测试且具有不同结构尺度的拉伸、疲劳和压缩试样。

平行端为圆柱体结构的拉伸和疲劳试样的几何形状及尺寸示意如图2所示，试样设计原则如下：试样总长度为L

平行端为矩形板结构的拉伸和疲劳试样的几何形状及尺寸示意如图3所示，试样设计原则如下：试样总长度为L

圆柱体结构的压缩试样的几何形状及尺寸示意如图4所示，试样设计原则如下：圆柱体直径为d，且0.5mm≤d≤50mm；圆柱体长度为L，且L＝1.5d。

正方形柱体结构的压缩试样的几何形状及尺寸示意如5所示，试样设计原则如下：正方形边长为d，且0.5mm≤d≤50mm；正方形柱体长度为L，且L＝1.5d。

本发明在使用激光粉末床熔融成形TiB

图8表示结构尺度对激光粉末床熔融成形拉伸性能的影响。使用电子万能材料试验机对不同结构尺度的拉伸试样进行测试，结果表明，0.2mm、0.6mm、1.0mm、2.0mm和5.0mm的平行端圆柱体直径对应的拉伸抗拉强度分别是254.1MPa、292.0MPa、335.1MPa、367.3MPa和397.2MPa。

通过以上获得的激光粉末床熔融成形不同结构尺度拉伸试样的抗拉强度，可以建立激光粉末床熔融成形不同结构尺度条件下抗拉强度的BP神经网络预测模型，据此可以实现激光粉末床熔融成形件拉伸性能的预测。

类似地，也可以实现激光粉末床熔融成形件疲劳和压缩性能的预测，同样可以实现电子束粉末床熔融成形件拉伸、疲劳和压缩性能的预测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。