摘要：文章通过数值模拟，探讨了大尺寸TA15钛合金结构制备全流程的残余应力与变形问题，系统分析了激光直接沉积、退火热处理和焊接过程对大尺寸TA15钛合金结构性能的影响。研究结果表明，激光直接沉积结构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，热处理退火后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，焊接过程中结构整体的残余应力变化较小，焊缝热影响区位置的残余应力显著降低。

　　关键词：TA15合金；激光直接沉积；全流程工艺；残余应力

　　TA15（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）合金是一种高铝当量的近α钛合金［1］，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［2］。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［3-4］。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［5］，常用的仿真软件有ANSYS、Simufact和Abaqus等。石齐民等［6］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［7］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，如图1所示。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0~0.6 mm。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。

　　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。

参考文献

　　［1］Wei Xu，Xiangyu Zhu，Zhe Wang，et al.Comparative study of Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V（TA15）alloy fabricated by selective laser melting and laser metal deposition［J］.Optics and Laser Technol-ogy，2024，176：111052.

　　［2］Amanda J.Sterling，Brian Torries，Nima Shamsaei，et al.Fatigue behavior and failure mechanisms of direct laser deposited Ti-6Al-4V［J］.Materials Science&Engineering A，2016，655：100-112.

　　［3］周松，于洪远，王洪明.激光沉积TA15钛合金的裂纹扩展行为［J］.有色金属工程，2024，14（5）：26-33.

　　［4］柴如霞，吕俊霞，谢强，等.激光直接熔化沉积TA15合金高温原位拉伸过程中的组织演变行为［J］.机械工程材料，2021，45（11）：84-90.

　　［5］Simsir C，Gur H.A Mathematical Framework for Simulation of Thermal Processing of Materials：Application to Steel Quench-ing［J］.The Scientific and Technological Research Council of Turkey，2008，32（2）：85-100.

　　［6］石齐民，顾冬冬，顾荣海，等.TiC/Inconel 718复合材料选区激光熔化成形的热物理机制［J］.稀有金属材料与工程，2017，46（6）：1543-1550.

　　［7］李波，杨祖建.基于Simufact的GH3044异形截面环件轧制过程数值模拟［J］.现代机械，2016（2）：22-27.