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澳大利亞和印度的研究人員開發了一種新的理論模型，可成功預測激光3D打印的殘余應力和臨界沉積高度。該模型由印度理工學院孟買的Ramesh Singh教授團隊與莫納什大學的Wenyi Yan教授共同開發，研究了熱機械行為和通過直接能量沉積技術（如激光熔覆）進行的冶金轉化。

激光熔覆廣泛用于汽車和航空航天工業中零件和結構部件的維護，修理和大修，因為它改善了材料特性。“定向能量沉積方法在航空航天部件，模具和模具的維修和再制造方面具有巨大的潛力，這些部件，模具和模具因循環熱機械加載而受到損壞。但是，沉積層中存在拉伸殘余應力會降低恢復部件的疲勞壽命。在這項協同工作中開發的完全耦合的熱機械和冶金模型已用于確定臨界沉積高度，以確保壓縮殘余應力。沉積層可持續修復。“

用Neutron和X射線衍射測量有限元模型預測殘余應力的比較。圖片來源：澳大利亞核科學技術組織（ANSTO）

他們的工作在《科學報告》雜志上在線發表。在該論文中，研究人員報告說，通過其金屬熱機械模型預測的激光熔覆鋼橫截面上殘余應力的變化表明存在臨界沉積高度。沉積的臨界高度對應于層厚度，當沉積時，層厚度將使沉積層和基板中的有益壓縮殘余應力最大化。低于臨界高度的沉積將在界面處產生有害的拉伸殘余應力，而高于臨界高度的沉積將導致過度稀釋。

研究還發現，在沉積的臨界高度，凝固速率最小。Kowari殘余應力衍射儀用于測量H13鋼樣品中的宏觀殘余應力，該樣品是用釩含量高的坩堝顆粒冶金鋼粉激光包覆的。Kowari殘余應力的三維測量是高度準確和非破壞性的。

“使用應變掃描儀器 Kowari，我們能夠識別沉積層中的三軸殘余應力，這證實了模型預測的位置，”Mark Reid博士的論文的共同作者研究科學家和工業聯絡經理Anna博士說。激光熔覆包括將熔融金屬沉積在相對冷的鋼基板上，產生復雜的殘余應力分布。

基于熱機械性能的理論模型（通常使用）被證明高估了拉伸殘余應力并低估了基材和界面中的壓縮殘余應力。該團隊使用印度理工學院的表面X射線衍射測量一個方向的殘余應力。然而，重要的是進行獨立的完全非破壞性的體積測量，以驗證內部測量程序。兩種衍射技術都表明在熔體前沿附近存在拉伸殘余應力，在沉積層和界面區域中存在壓應力。“了解應力并能夠預測它們對于增材制造行業非常重要。驗證模型非常有益，因為使用該模型進一步優化制造過程將具有成本效益并節省時間，”Paradowska說。

“該模型允許您計算激光位置速率，以達到特定的沉積高度，同時最大限度地減少有害應力的影響，并最大化有益的壓縮應力。”該研究的作者建議展示一種科學的技術解決方案，可以提高激光添加劑工藝制造的元件的質量，安全性和經濟性。