一种增材制造构件质量评价方法与流程

1.本发明涉及材料检测领域，尤其涉及一种增材制造构件质量评价方法。


背景技术：

2.增材制造技术的提出始于20世纪80年代，相对于传统的加工工艺，其摆脱了对原材料去除－切削、组装的加工模式，是一种能够“自下而上”通过材料累加的制造工艺。增材制造技术在一台设备上可以实现快速、精密的制造出任意复杂结构零部件，省略了传统工艺的刀具、夹具以及多道的加工工序，此外还能够减少零部件重量，缩短生产周期，减少构件所需要的零件数量，从而节省成本，提高构件的可靠性。然而，增材制造加工过程具有复杂的物理特性，通常需要进行数百万次的局部范围内(20-50μm)的熔化和再凝固循环，由此会使得增材制造构件的显微组织不同于同一种金属材料的铸件或锻件的显微组织。上述不同点主要表现为：材料性能的各向异性以及区域的不均匀性；构件内部难以避免的随机出现各种类型的缺陷，例如孔洞、裂纹以及未熔合等。上述的增材制造微观缺陷难免会影响构件的性能，并且由于缺陷的随机性导致增材制造构件性能不稳定。因此，精确的评价出增材制造构件的质量可以进一步的拓展增材制造在相关行业领域的应用。
3.对于增材制造工艺，目前还没有完善的质量评价方法。除了缺乏相关标准体系之外，增材制造构件质量评价的难点主要还有以下几点：1、缺陷的检测。增材制造技术发展至今，其构件内部缺陷尺寸甚至可以控制在微米级，缺陷检测难度大大增加，尤其是无损检测的方法。2、缺乏增材制造的实际经验。在某些行业中，例如航空航天领域，目前还没有充足的全面生产经验。
4.本发明针对目前缺乏增材制造构件质量评价体系，提供了一种增材制造构件质量评定方法,能够对增材制造构件进行可靠性评估。
5.本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
6.(1)本发明根据无损检测结果，结合增材制造构件内部缺陷的实际情况，快速实现增材制造构件的初步质量评价，完成增材制造构件的初步筛选，随后采用可靠性评估的方法对增材制造构件进一步定量的质量评价，具备完善的质量评价体系。
7.(2)综合考虑了增材制造构件载荷、力学性能参数和缺陷尺寸等关键参数的随机分布特性，且与增材制造构件的本质属性和实际服役环境条件相吻合，建立了增材制造构件可靠度评估方法的模型，可实现增材制造构件可靠度的精确评估，定量的分析增材制造构件的质量。
8.(3)本发明提出的增材制造构件可靠度评估方法适用于所有金属增材制造方法，例如选择性激光烧结、选择性激光熔融、电子束熔化成型、电弧送丝增材制造技术等。


技术实现要素：

9.为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
10.一种增材制造构件质量评价方法，包括以下步骤：
11.步骤一、使用射线无损检测技术检测增材制造构件，得到射线无损检测结果；
12.步骤二、根据步骤一的射线无损检测结果，对增材制造构件初步验收，验收等级分为1级、2级和3级；
13.步骤三、将步骤二中验收等级为2级和3级的增材制造构件视为不合格产品，将等级为1级的增材制造构件视为初步合格产品；
14.步骤四、对步骤二中验收等级为1级的增材制造构件进行微观缺陷检测，获得增材制造构件缺陷尺寸的分布特性；
15.步骤五、对步骤二中验收等级为1级的增材制造构件进行力学性能测试，获得增材制造构件材料的应力-应变曲线、断裂韧性的分布特性；
16.步骤六、结合增材制造构件实际工况，获取增材制造构件的载荷分布特性；
17.步骤七、根据步骤五获得的应力-应变曲线推算失效评估图；
18.步骤八、采用蒙特卡罗模拟方法，结合步骤四中的缺陷尺寸和步骤五中载荷大小的随机分布特性对增材制造构件进行可靠性评估；
19.步骤九、依据步骤八的增材制造构件可靠性评估结果对增材制造构件进行质量评价。
20.所述的增材制造构件质量评价方法，其中：步骤一中射线无损检测结果包括增材制造构件内部缺陷的种类、尺寸以及位置分布等。
21.所述的增材制造构件质量评价方法，其中步骤七中：
22.失效评估图由横坐标lr、纵坐标kr和失效评估曲线组成，失效评估曲线是kr关于lr的函数曲线，用于界定安全区域，位于曲线下方为安全区域，位于曲线下方为不安全区域；失效评估曲线的推算公式如下：
[0023][0024]
kr＝0 lr＞l
rmax
[0025]
其中e为材料的泊松比；ε
ref
是通过单向拉伸应力-应变曲线在真实应力为lrσy获得的真实应变；σy为材料的屈服强度；l
rmax
为lr的最大值，通过以下公式计算：
[0026][0027]
其中，σu为材料的抗拉强度。
[0028]
所述的增材制造构件质量评价方法，其中步骤八包括：
[0029]
设定总评估次数n进行多次评估；
[0030]
在每一次单独评估时随机抽样获取步骤四中的缺陷尺寸、断裂韧性和步骤五中的载荷大小，组成一个评估点；
[0031]
结合增材制造构件的结构特征计算此评估点在失效评估图中的坐标点(lr，kr)；
[0032]
将上述计算得到的坐标点(lr，kr)绘入到步骤七中的失效评估图中进行失效评估；坐标点(lr，kr)计算公式如下所示：
[0033][0034]
其中，lr表征结构接近塑性屈服的程度，σ
ref
为参考应力；σy为材料的屈服强度；p为
随机提取步骤六种的载荷大小；p
l
为极限载荷；
[0035][0036]
其中，kr表征结构接近断裂失效的程度，k
mat
为材料的断裂韧性；ki为应力强度因子根据以下公式计算：
[0037][0038]
其中，y为应力强度因子修正系数；σ为应力大小；a为缺陷尺寸；
[0039]
统计蒙特卡罗模拟中不可接受评估点次数m，通过以下公式计算增材制造构件的失效概率和可靠度：
[0040][0041]
其中，p为增材制造构件的失效概率；
[0042]
可靠度＝1-p。
[0043]
所述的增材制造构件质量评价方法，其中步骤九中：
[0044]
将可靠度≥99.99％的增材制造构件评定为a级产品；将99.99％＞可靠度≥99.9％增材制造构件评定为b级产品；将99.9％＞可靠度≥99％的增材制造构件评定为产品；将99％＞可靠度≥95％的增材制造构件评定为d级产品；将可靠度＜95％的增材制造构件评定为不合格产品。
附图说明
[0045]
图1为本发明增材制造构件质量评价方法的流程图；
[0046]
图2为增材制造构件有限元数值模拟结果应力分布云图；
[0047]
图3为增材制造构件应力-应变曲线；
[0048]
图4为失效评估图；
[0049]
图5为蒙特卡洛模拟方法流程图；
[0050]
图6为增材制造构件内部缺陷尺寸分布图；
[0051]
图7为可靠性结果评估结果图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图1-7，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
[0053]
本发明提供了一种增材制造构件质量评价方法，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：如图1的增材制造构件质量评价方法的流程图所示，首先采用无损检测方法，快速实现增材制造构件的初步质量评价，完成增材制造构件的初步筛选，随后综合考虑增材制造构件的实际承载情况，增材制造构件内部缺陷分布情况以及增材制造构件的力学性能，基于断裂力学理论对构件进行可靠性评估，以可靠性评估的结果评价增材制造构件的质量。具体实施步骤如下：
[0054]
步骤一，使用射线无损检测技术检测增材制造构件，得到包括增材制造构件内部缺陷的种类、尺寸以及位置分布等在内的射线无损检测结果；
[0055]
步骤二、根据步骤一的射线无损检测结果，对增材制造构件初步验收，验收等级分
为1级、2级和3级，根据增材制造构件内部缺陷的种类，验收等级划分的标准不同，结合增材制造构件内部缺陷的实际情况，本发明设定了增材制造构件验收等级划分标准表，见如下表1：
[0056]
表1增材制造构件射线无损检测验收等级划分标准
[0057][0058]
步骤三、将步骤二中验收等级为2级和3级的增材制造构件视为不合格产品，将等级为1级的增材制造构件视为初步合格产品；
[0059]
步骤四、对步骤二中验收等级为1级的增材制造构件进行微观缺陷检测，获得增材制造构件缺陷尺寸的分布特性；微观缺陷检测方法主要有金相检测和工业计算机层析成像(ct)检测，检测试样从增材制造构件随机切取；其中，金相检测应依据标准gb/t 34895-2017《热处理金相检验通则》，工业计算机层析成像(ct)检测应依据标准gb/t 29067-2012《无损检测工业计算机层析成像(ct)图像测量方法》；缺陷尺寸检测结果在数量上不少于30个，并建立缺陷尺寸的随机概率分布模型；
[0060]
步骤五、对步骤二中验收等级为1级的增材制造构件进行力学性能测试，获得增材制造构件材料的应力-应变曲线、断裂韧性的分布特性；其中，应力-应变曲线通过拉伸试验获得，拉伸试验依据标准《gb/t 228.1金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》和《gb/t228.2金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》；断裂韧性通过准静态断裂韧性测试试
验获得，准静态断裂韧性测试试验依据标准iso 12135《metallic materials-unified method of test for the determination of quasistatic fracture toughness》；力学性能测试试样优先从增材制造构件中切取，如果构件无法满足相关测试试样的数量和尺寸，可使用与增材制造构件具有相同材质以及制造工艺的测试试样；断裂韧性的测试结果在数量上不少于30个，并建立断裂韧性的随机概率分布模型；
[0061]
步骤六、结合增材制造构件实际工况，获取增材制造构件的载荷分布特性；增材制造构件载荷分布特性主要是结合增材制造构件实际工况增材制造构件实际工况，通过有限元数值模拟计算得到，主要包括温度场、流场以及应力应变场的模拟分析计算；如图2所示为增材制造构件有限元数值模拟结果应力分布云图；
[0062]
步骤七、根据步骤五获得的应力-应变曲线(如图3所示)推算失效评估图；如图4所示，失效评估图由横坐标lr、纵坐标kr和失效评估曲线组成，失效评估曲线是kr关于lr的函数曲线，用于界定安全区域，位于曲线下方为安全区域，位于曲线下方为不安全区域；失效评估曲线的推算公式如下：
[0063][0064]
kr＝0 lr＞l
rmax
[0065]
其中e为材料的泊松比；ε
ref
是通过单向拉伸应力-应变曲线在真实应力为lrσy获得的真实应变；σy为材料的屈服强度；l
rmax
为lr的最大值，通过以下公式计算：
[0066][0067]
其中，σu为材料的抗拉强度；
[0068]
步骤八、采用蒙特卡罗模拟方法，根据步骤四获得的缺陷尺寸随机概率分布模型，步骤五中获得的断裂韧性随机概率分布模型，以及步骤六中获得的构件载荷分布特性，对增材制造构件进行可靠性评估；蒙特卡罗模拟方法的流程图如图5所示，其具体做法为：设定总评估次数n进行多次评估(推荐总评估次数n不少于10000次)，在每一次单独评估时随机抽样获取步骤四获得的缺陷尺寸，步骤五中获得的断裂韧性，以及步骤六中获得的载荷大小，组成一个评估点，结合增材制造构件的结构特征计算此评估点在失效评估图中的坐标点(lr，kr)；如图7所示，将上述计算得到的坐标点(lr，kr)绘入到步骤七中的失效评估图中进行失效评估；坐标点(lr，kr)计算公式如下所示：
[0069][0070]
其中，lr表征结构接近塑性屈服的程度，σ
ref
为参考应力；σy为材料的屈服强度；p为随机提取步骤六种的载荷大小；p
l
为极限载荷；
[0071][0072]
其中，kr表征结构接近断裂失效的程度，k
mat
为材料的断裂韧性；ki为应力强度因子根据以下公式计算：
[0073][0074]
其中，y为应力强度因子修正系数；σ为应力大小；a为缺陷尺寸；
[0075]
统计蒙特卡罗模拟中不可接受评估点次数m，通过以下公式计算增材制造构件的失效概率和可靠度：
[0076][0077]
其中，p为增材制造构件的失效概率；
[0078]
可靠度＝1-p
[0079]
步骤九、依据步骤八的增材制造构件可靠性评估结果对增材制造构件进行质量评价；将可靠度≥99.99％的增材制造构件评定为a级产品；将99.99％＞可靠度≥99.9％增材制造构件评定为b级产品；将99.9％＞可靠度≥99％的增材制造构件评定为产品；将99％＞可靠度≥95％的增材制造构件评定为d级产品；将可靠度＜95％的增材制造构件评定为不合格产品。
[0080]
实施例1，本发明对激光选取熔化增材制造技术生产的某航空发动机的结构件进行质量评价，其结构以及承载分析的有限元数值模拟结果如图2所示，在有限元数值模拟结果过程中考虑构件实际工作过程中的振动、以及过载等情况，并假定构件的最大载荷符合正态分布，因此可以得到载荷分布函数，如下式所示：
[0081][0082]
由于构件为薄壁结构，因此上述步骤五中，力学性能测试为与增材制造构件具有相同材质以及制造工艺的测试试样。根据力学性能测试结果，得到了应力-应变曲线，如图3所示。进行了多组断裂韧性测试，断裂韧性的随机概率分布特征符合正态分布特征，即可用以下式的分布函数描述断裂韧性：
[0083][0084]
其中ctod为裂纹尖端张开位移，单位为mm；
[0085]
在本实施例中采用纳米级工业计算机层析成像(μ-ct)检测技术检测增材制造结构内部缺陷的分布特性，通过对缺陷重构以及统计分析，得到了如图6所示的缺陷尺寸分布图，可以看出缺陷尺寸的分布也满足正态分布，因此可得到缺陷尺寸的分布函数，如下式所示：
[0086][0087]
根据图3的应力应变曲线，推算出失效评估图，如图4所示。依据步骤八，采用蒙特卡洛模拟方法，对增材制造构件进行可靠性分析，在本实施例中，设定评估次数n为10000，评估结果如图7所示，其中不可接受评估点2个，可接受评估点9998个，计算得到失效概率为0.02％，可靠度为99.98％。依据步骤九，本实施例的增材制造构件的质量等级为b级。
[0088]
以上实施方式仅用于更加清楚的说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员可以
[0089]
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，根据本发明公开的技术启示做出其它的变化和变型，这些变化和变型等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的保护范围应由权利要求限定。