TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V) 合金是一種高鋁當量的近 α 鈦合金，其使用溫度高、比強度高、可焊性好和抗蠕變，常應用于飛行器主承力構件制造。與傳統加工方式相比，激光直接沉積工藝 (L-DED) 具有原材料利用率高、制造周期短、力學性能好等顯著優勢。通過 L-DED 工藝制造大尺寸 TA15 構件，已展現出巨大的潛力，獲得了研究人員的關注。

由于 TA15 導熱率較低，在 L-DED 工藝冷熱快速交替變換的條件下，將產生較大溫度梯度，構件殘余應力大、易發生變形，增加了制造的周期和成本。然而，L-DED 工藝制備的小尺寸試樣，通常難以反映 L-DED 大尺寸構件的殘余應力分布和變形規律。因此，展開對 L-DED 制造大尺寸構件的相關研究勢在必行。由于現有增材制造設備和工藝限制，在制造米級大尺寸構件時通常需要采用多工序復合制造，例如，需要先將大尺寸結構分成多個部分，通過激光直接沉積制造出各個部分，然后進行去應力退火，最后進行焊接，實現大尺寸結構制造。

有限元仿真是研究構件加工過程中應力與變形行為的重要方法，常用的仿真軟件有 ANSYS、Simufact 和 Abaqus 等。石齊民等研究了 TiC/Inconel718 復合材料的成形質量，通過 ANSYS 軟件建立了成形過程的數學模型，結果發現工藝參數影響了成形件孔隙率。李波利用 Simufact.forming 對 GH3044 合金異形截面環坯的塑性成形過程進行動態模擬仿真，分析軋制過程中環件的溫度場、應變場和軋制力的分布情況及隨時間的變化規律，并對產品的工藝參數的設計和優化起到積極的指導作用。在進行大尺寸構件制造過程的仿真時，由于模型網格數量大、節點數多，導致求解過程的計算量較大。此外，多工序仿真時數據的有效傳輸、邊界條件的自由變換等因素，也是限制大尺寸構件實際制造過程仿真的重要因素，因此，需要選擇合適的軟件。與其他軟件相比，Simufact 多步同時計算能力強，支持多工序連續求解，在進行 L-DED 制造大尺寸構件過程求解時具有顯著的優勢。

因此，文章采用 Simufact 軟件對 TA15 鈦合金框梁結構進行制造全流程仿真，分析不同工序對大尺寸構件成形后殘余應力和變形的影響規律，討論了誤差累積對多工序仿真的影響。文章研究為 TA15 鈦合金大尺寸構件的全流程工藝優化，提供了重要的實踐參考。

1、TA15 大尺寸構件有限元模型的建立

1.1 增材制造及焊接熱源設置

Simufact Welding 具有高斯熱源和雙橢球熱源兩種內置熱源模型，文章中激光直接沉積工藝和焊接工藝都使用的激光為高斯光源，因此采用高斯熱源模型。通過設置熱源的運動軌跡，可以激活模型的對應單元，從而模擬實際的激光加熱過程，具體熱源參數如表 1 所示。

此外，文章中激光直接沉積增材制造采用的激光功率為 3kW，掃描速度為 20mm/s，掃描間距為 2mm，層厚為 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 切片軟件生成模型的 G-code，對軟件的切片參數進行設置，參考 TA15 激光直接沉積和焊接工藝參數，掃描間距設置為 5mm，層厚設置為 2mm，生成各個結構的 G-code。需要注意的是，由于 Slicr3r 軟件生成的 G-code 語句并不能被 Simufact Welding 軟件完全讀取，需要對生成的 G-code 進行處理，修改無法識別的語句。

1.2.2 模型的網格劃分

文章以大尺寸框梁為研究對象，將大尺寸框梁拆分成 A 和 B 兩個結構。其中，結構 A 尺寸 925mm×840mm×42mm，結構 B 尺寸 300mm×690mm×42mm。為提高計算效率，對框梁模型進行像素化網格處理，即通過相同尺寸的六面體有限元網格對框梁模型進行網格劃分，網格尺寸 8mm×8mm×2mm。經過網格劃分，結構 A 模型中共有 96080 個像素單元和 77676 個節點，結構 B 模型中共有 17524 個像素單元和 23072 個節點。此外，在框梁下方設置 50mm 厚的平板作為打印基板，設置基板為固定形狀。

1.3 去應力退火熱處理工藝的仿真模型

文章參考國標《鈦及鈦合金制件熱處理》GB/T 37584-2019 進行激光直接沉積 TA15 鈦合金的去應力退火熱處理，升溫速度為 10℃/min，保溫溫度為 650℃，保溫時間為 2h，最后通過爐冷進行降溫。

2、仿真結果與分析

2.1 激光直接沉積

激光直接沉積結構 A 和結構 B 的殘余應力及變形仿真結果，如圖 2 (a)、圖 2 (b) 所示。其中，結構 A 整體殘余應力較小，集中于 300~700MPa，結構 B 整體殘余應力較大，集中于 500~900MPa，這主要是由于結構 B 尺寸更大，打印時間更長，熱歷史更復雜。此外，結構 A 和結構 B 的底板殘余應力大、頂部殘余應力小，在肋板的邊緣，甚至存在低應力區域。

激光直接沉積結構 A 和結構 B 的變形情況放大 5 倍后，如圖 2 (c)、圖 2 (d) 所示。由于在打印過程中，結構的底部與基板冶金結合，幾乎不發生變形，因此，結構變形主要為肋板側邊緣的向內收縮。整體來說，激光直接沉積階段兩個結構發生的變形較小，主要在 0~0.6mm。

通過截取結構 A 和結構 B 內部 0mm、10mm、20mm、30mm 和 40mm 五個位置的殘余應力分布，如圖 3 所示。由圖 3 可知，在結構內部也表現出底部殘余應力低、頂部殘余應力高的分布規律，兩個結構焊接區域的殘余應力遠低于結構中間區域的。

2.2 去應力退火熱處理

結構 A 和結構 B 去應力熱處理仿真結果，如圖 4 所示。與圖 3 相比，結構 A 和結構 B 的殘余應力從 500~900MPa (主要集中于 800MPa) 降低至 100~700MPa (主要集中于 300MPa)。此時，結構發生了少量變形，結構 A 變形主要集中于兩端，結構 B 為四周變形量大、中心變形量小。

2.3 大尺寸框梁的焊接

焊接前后結構整體的殘余應力分布，如圖 5 (a)、圖 5 (b) 所示。由仿真結果可知，經過焊接結構整體的殘余應力發生了少量的降低，殘余應力分布主要集中于 300~500MPa，減小為 200~400MPa，結構邊緣的殘余應力獲得了少量的釋放。如圖 6 (a) 和圖 6 (b) 所示，經過焊接，焊縫熱影響區位置的殘余應力顯著降低，但其集中趨勢并沒有發生改變。

3、結論

綜上所述，L-DED 成形的結構 A、B 均呈底板殘余應力高、頂部低的分布特征，肋板邊緣存在低應力區；退火熱處理后兩結構均輕微變形，結構 A 變形集中于兩端，結構 B 則四周變形大、中心??；焊接過程中結構整體殘余應力無明顯變化，焊縫熱影響區殘余應力顯著降低。

參考文獻

[1] Wei Xu,Xiangyu Zhu,Zhe Wang,et al. Comparative study of Ti6.5Al-2Zr-1Mo-1V (TA15) alloy fabricated by selective laser melting and laser metal deposition [J]. Optics and Laser Technology,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，于洪遠，王洪明。激光沉積 TA15 鈦合金的裂紋擴展行為 [J]. 有色金屬工程，2024,14 (5):26-33.

[4] 柴如霞，呂俊霞，謝強，等。激光直接熔化沉積 TA15 合金高溫原位拉伸過程中的組織演變行為 [J]. 機械工程材料，2021,45 (11):84-90.

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

[6] 石齊民，顧冬冬，顧榮海，等.TiC/Inconel 718 復合材料選區激光熔化成形的熱物理機制 [J]. 稀有金屬材料與工程，2017,46 (6):1543-1550.

[7] 李波，楊祖建?；?Simufact 的 GH3044 異形截面環件軋制過程數值模擬 [J]. 現代機械，2016 (2):22-27.

（注，原文標題：大尺寸TA15構件激光直接沉積制造全流程仿真研究_汪鑫）