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，常利用于飞行器主承力构件造作。与传统加工方式相比，激光直接沉积工艺 (L-DED) 拥有原资料利用率高、造作周期短、力学机能好等显著优势。通过 L-DED 工艺造作大尺寸 TA15 构件，已展示出巨大的潜力，获得了钻研人员的关注。

由于 TA15 导热率较低，在 L-DED 工艺冷热急剧交替变换的前提下，将产生较大温度梯度，构件残存应力大、易产生变形，增长了造作的周期和成本。然而，L-DED 工艺造备的幼尺寸试样，通常难以反映 L-DED 大尺寸构件的残存应力散布和变形法规。因而，发展对 L-DED 造作大尺寸构件的有关钻研势在必行。由于现有增材造作设备和工艺限度，在造作米级大尺寸构件时通常必要选取多工序复合造作，例如，必要先将大尺寸结构分成多个部门，通过激光直接沉积造作出各个部门，而后进行去应力退火，最后进行焊接，实现大尺寸结组织作。

有限元仿真是钻研构件加工过程中应力与变形行为的沉要步骤，常用的仿真软件有 ANSYS、Simufact 和 Abaqus 等。石齐民等钻研了 TiC/Inconel718 复合伙料的成形质量，通过 ANSYS 软件成立了成形过程的数学模型，了局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仿照仿真，分析轧造过程中环件的温度场、应变场和轧造力的散布情况及随功夫的变动法规，并对产品的工艺参数的设计和优化起到积极的领导作用。在进行大尺寸构件造作过程的仿真时，由于模型网格数量大、节点数多，导致求解过程的推算量较大。此表，多工序仿真时数据的有效传输、天堑前提的自由变换等成分，也是限度大尺寸构件现实造作过程仿真的沉要成分，因而，必要选择相宜的软件。与其他软件相比，Simufact 多步同时推算能力强，支持多工序陆续求解，在进行 L-DED 造作大尺寸构件过程求解时拥有显著的优势。

因而，文章选取 Simufact 软件对 TA15 钛合金框梁结构进行造作全流程仿真，分析分歧工序对大尺寸构件成形后残存应力和变形的影响法规，会商了误差累积对多工序仿真的影响。文章钻研为 TA15 钛合金大尺寸构件的全流程工艺优化，提供了沉要的实际参考。

1、TA15 大尺寸构件有限元模型的成立

1.1 增材造作及焊接热源设置

Simufact Welding 拥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，因而选取高斯热源模型。通过设置热源的活动轨迹，能够激活模型的对应单元，从而仿照现实的激光加热过程，具体热源参数如表 1 所示。

此表，文章中激光直接沉积增材造作选取的激光功率为 3kW，扫描速度为 20mm/s，扫描间距为 2mm，层厚为 2mm。

1.2 增材造作及焊接的仿真模型

1.2.1 G-code 天生

文章选取 Slic3r 切片软件天生模型的 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，天生各个结构的 G-code。必要把稳的是，由于 Slicr3r 软件天生的 G-code 语句并不能被 Simufact Welding 软件齐全读取，必要对天生的 G-code 进行处置，批改无法识此外语句。

1.2.2 模型的网格划分

文章以大尺寸框梁为钻研对象，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。为提高推算效能，对框梁模型进行像素化网格处置，即通过一样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。此表，在框梁下方设置 50mm 厚的平板作为打印基板，设置基板为固定状态。

1.3 去应力退火热处置工艺的仿真模型

文章参考国标《钛脊合金造件热处置》GB/T 37584-2019 进行激光直接沉积 TA15 钛合金的去应力退火热处置，升温速度为 10℃/min，保温温度为 650℃，保温功夫为 2h，最后通过炉冷进行降温。

2、仿真了局与分析

2.1 激光直接沉积

激光直接沉积结构 A 和结构 B 的残存应力及变形仿真了局，如图 2 (a)、图 2 (b) 所示。其中，结构 A 整体残存应力较幼，集中于 300~700MPa，结构 B 整体残存应力较大，集中于 500~900MPa，这重要是由于结构 B 尺寸更大，打印功夫更长，热汗青更复杂。此表，结构 A 和结构 B 的底板残存应力大、顶部残存应力幼，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，险些不产生变形，因而，结构变形重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产生的变形较幼，重要在 0~0.6mm。

通过截取结构 A 和结构 B 内部 0mm、10mm、20mm、30mm 和 40mm 五个地位的残存应力散布，如图 3 所示。由图 3 可知，在结构内部也阐发出底部残存应力低、顶部残存应力高的散布法规，两个结构焊接区域的残存应力远低于结构中央区域的。

2.2 去应力退火热处置

结构 A 和结构 B 去应力热处置仿真了局，如图 4 所示。与图 3 相比，结构 A 和结构 B 的残存应力从 500~900MPa (重要集中于 800MPa) 降低至 100~700MPa (重要集中于 300MPa)。此时，结构产生了少量变形，结构 A 变形重要集中于两端，结构 B 为周围变形量大、中心变形量幼。

2.3 大尺寸框梁的焊接

焊接前后结构整体的残存应力散布，如图 5 (a)、图 5 (b) 所示。由仿真了局可知，经过焊接结构整体的残存应力产生了少量的降低，残存应力散布重要集中于 300~500MPa，减幼为 200~400MPa，结构边缘的残存应力获得了少量的开释。如图 6 (a) 和图 6 (b) 所示，经过焊接，焊缝扰装响区地位的残存应力显著降低，但其集中趋向并没有产生扭转。

3、结论

综上所述，L-DED 成形的结构 A、B 均呈底板残存应力高、顶部低的散布特点，肋板边缘存在低应力区；退火热处置后两结构均轻微变形，结构 A 变形集中于两端，结构 B 则周围变形大、中心；焊接过程中结构整体残存应力无显著变动，焊缝扰装响区残存应力显著降低。

参考文件

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（注，原文标题：大尺寸TA15构件激光直接沉积造作全流程仿真钻研_汪鑫）