增材制造金属零件加工力学：材料表征与基于微观结构的本构建模

《Engineering》：Machining Mechanics of Additively Manufactured Metallic Parts: Material Characterization and Constitutive Modeling

本文针对增材制造（AM）金属零件因独特微观结构（如柱状晶、晶体学织构）导致加工性能不一致的难题，以广泛应用的Inconel 718为研究对象，提出了一种融合热激活、固溶强化、晶界强化、位错强化等关键机制的物理本构模型。通过电子背散射衍射（EBSD）、能谱分析（EDS）表征微观特征，并结合正交切削实验验证，该模型能精准预测流动应力和切削力（误差<10%），并量化各强化机制的贡献，为AM零件加工参数优化和刀具选择提供了重要的理论依据和设计指导。

　　

在制造业迈向智能化的今天，增材制造（Additive Manufacturing, AM），俗称3D打印，以其能够快速制造复杂几何形状零件的独特优势，在航空航天、生物医疗和高端装备等领域大放异彩。然而，从3D打印机中出来的零件往往只是“毛坯”，其表面粗糙度和几何精度通常难以满足最终使用要求。这就好比一位雕塑家先用3D打印做出雕像的粗胚，还必须经过精细的雕刻和打磨才能成为艺术品。对于金属零件而言，这道“精雕细琢”的工序通常就是传统的机械加工。

一个令人困扰的问题随之浮现：用传统工艺（如锻造）生产的金属材料，其加工特性已经被研究得比较透彻；但通过AM技术“生长”出来的金属，其内部微观结构——如因快速凝固和巨大温度梯度而形成的柱状晶粒和独特的晶体学取向（织构）——与传统材料截然不同。这种“先天差异”使得AM零件的可加工性变得难以预测，直接后果就是加工时切削力波动大、刀具磨损快、加工质量不稳定。更棘手的是，不同研究团队甚至对同一种AM材料（如镍基高温合金Inconel 718）的加工性能报告了相互矛盾的结果，有的发现切削力随加工方向变化显著，有的则认为无明显影响。这种不确定性给生产中选择合适的刀具和加工参数带来了巨大挑战，制约了AM技术在关键领域的可靠应用。为了解决这一难题，由Farshad Kazemi、Adam T. Clare和Xiaoliang Jin组成的研究团队在《Engineering》期刊上发表了他们的最新研究成果。

为了揭示AM金属零件加工过程中的力学行为本质，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，利用激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术制备了Inconel 718研究样本。其次，通过电子背散射衍射（EBSD）和能谱分析（EDS）对样本的晶粒尺寸、晶体学取向、位错密度和溶质原子浓度等关键微观结构参数进行了精确表征，为物理本构模型提供了直接的输入参数。最后，设计并进行了正交切削实验，使用测力计测量切削力，并利用扫描电子显微镜（SEM）观察切屑形态，从而验证所开发模型的准确性。

1. 引言

研究背景揭示了AM金属零件加工领域存在的核心矛盾：尽管AM技术优势明显，但其零件的后续加工（尤其是切削）性能因独特的微观结构而呈现出高度不确定性。文献综述表明，关于切削力是否随加工方向（相对于零件建造方向BD）变化的研究结论不一，有些报告变化高达50%，而有些则认为变化可忽略。这种不一致性源于AM工艺参数（如激光功率、扫描策略）对材料微观结构的显著影响，进而影响其力学性能和加工行为。因此，仅仅依靠实验观察不足以从根本上理解问题，迫切需要建立能够反映微观结构影响的本构模型来预测切削力和材料流动应力，从而为工艺优化提供理论指导。本研究选择广泛应用的AM Inconel 718作为范例材料，旨在开发一个物理基础的本构模型框架。

2. 实验细节

研究人员采用LPBF工艺制备了Inconel 718块体，并详细列出了AM工艺参数（如激光功率375 W，扫描速度1.5 m/s等）。为了全面表征微观结构，从AM零件的三个正交表面（TD-ND, BD-TD, BD-ND平面）截取样品，经过精细研磨和抛光后，利用EBSD分析晶粒的晶体学取向和尺寸，利用EDS测定镍和溶质原子（如Al, Ti, Cr, Fe, Mo, Nb）的原子百分比。切削实验采用正交切削配置，研究了两种刀具-工件相对方向：切削速度平行于BD和垂直于BD。实验在固定的切削速度（10 m/min）和宽度（1 mm）下，变化未切削切屑厚度（70, 80, 90, 100 μm）进行，使用测力计测量切向力和进给力，并通过SEM测量切屑厚度以计算剪切角。同时，使用激光共聚焦显微镜测量了刀具的切削刃微观几何形状，确定了刃口半径（12.5 μm）。

3. 本构建模

本研究摒弃了单纯依赖数据拟合的现象学模型，选择建立一个基于物理机制的本构模型。该模型的核心思想是，材料的流动应力（σ_y）是多种强化机制共同作用的结果，表达式为：σ_y = σ₀ + σ_gb + σ_d + σ_ss + σ_th(T, ε, ε?)。其中，σ₀为内禀强度，与泰勒因子（M）和临界分切应力（τ_crss）相关；σ_gb为晶界强化，通过Hall-Petch公式（σ_gb = k d^-1/2）描述，d为晶粒尺寸；σ_d为位错强化，通过泰勒方程（σ_d = M α_r G b √ρ）描述，ρ为位错密度；σ_ss为固溶强化，与溶质原子浓度和强化常数有关；σ_th为热激活部分，采用Zerilli-Armstrong (Z-A) 模型描述，它考虑了应变（ε）、应变率（ε?）和温度（T）的影响，对于面心立方（FCC）结构的Inconel 718，该部分与应变硬化相关。模型的一个关键创新点是将泰勒塑性理论整合到正交切削力学中，通过EBSD获得的晶体学取向数据和切削引起的变形梯度，计算出反映多晶体塑性变形能力的平均泰勒因子（M_ave），从而将微观晶体取向与宏观流动应力联系起来。

4. 结果与讨论

4.1. 微观结构分析

EBSD分析结果显示，AM Inconel 718呈现出典型的柱状晶组织。在垂直于建造方向（BD）的TD-ND平面上，晶粒接近等轴状，而在平行于BD的BD-TD和BD-ND平面上，晶粒明显沿BD方向伸长。晶粒尺寸统计表明，长轴平均约37.5 μm，短轴平均约12.5 μm。晶粒长轴与BD的夹角高度集中，平均在87°-88.5°之间，证实了强烈的沿BD方向生长的趋势。EDS分析给出了Ni基体及各溶质元素（Al, Ti, Cr, Fe, Mo, Nb）的原子百分比。通过分析核平均误取向（KAM），估算出的位错密度约为4.2×10¹³ m^-2，且在三个取样面上结果相近。

4.2. 确定泰勒因子和有效晶粒尺寸

基于泰勒模型和EBSD数据，计算了不同切削方向（相对于晶体取向）下的平均泰勒因子。结果表明，泰勒因子最大可有12%的变化。然而，这种变化对流动应力的最终影响并非简单的线性关系，因为泰勒因子增加会导致剪切区产热增加，进而引起热软化，部分抵消其强化效果。对于本研究中的特定晶体织构，计算得到切削速度平行和垂直于BD时的泰勒因子非常接近（约2.94）。此外，考虑到柱状晶粒的椭球形态，研究者提出了一个有效晶粒尺寸的概念，它取决于剪切面与晶粒的相交情况以及剪切方向相对于晶粒长轴的夹角（Ω），从而更准确地评估晶界强化效应。

4.3. 切削力预测与实验验证

研究者将建立的本构模型与正交切削力学（基于Merchant模型）相结合，用于预测切削力。通过迭代计算，确定了剪切角、剪切面上的应变、应变率和温度，进而预测流动应力和切削力。实验测得的切削力系数和通过切屑厚度计算的剪切角被用于模型验证和摩擦角等参数的确定。结果表明，模型预测的流动应力和切削力与实验值吻合良好，误差在10%以内。对于两种不同的切削方向（BD-TD和ND-BD配置），预测和实验均显示切削力系数差异很小（约5%），表明在本研究特定的AM微观结构下，切削力对方向的依赖性不显著。模型进一步量化了各强化机制的贡献：热激活部分（σ_th）是主导因素，约占流动应力的60%；其次是固溶强化（σ_ss），约占20%；晶界强化（σ_gb）和位错强化（σ_d）的贡献相对较小。分析还强调，晶粒尺寸或泰勒因子的变化会通过影响产热和热软化来调制最终的流动应力，忽略温度效应的模型会高估这些微观结构参数的影响。

5. 结论

本研究成功开发了一个物理基础的、与微观结构相关联的本构模型，用于预测AM金属零件（以Inconel 718为例）在正交切削过程中的流动应力和切削力。该模型不仅预测精度高，而且能够定量解析各强化机制的贡献份额。研究得出主要结论：首先，在AM Inconel 718的切削过程中，热激活强化是最主要的贡献机制，而固溶强化次之。其次，尽管AM产生的柱状晶会导致有效晶粒尺寸随切削方向变化，但在本研究条件下，由此引起的切削力变化并不显著，这主要是因为晶界强化在高温、高应变/应变率的切削条件下并非主导机制，且其强化效果会被伴随的温度升高和热软化部分抵消。第三，泰勒因子对流动应力的影响同样受到热软化效应的调制，不考虑温度敏感性的模型会高估晶体取向对切削力的影响。

这项研究的意义在于，它提供了一个强大的分析工具和深入的理论见解，有助于理解和预测AM金属零件的加工行为。通过将微观结构特征与宏观力学响应直接关联，该模型能够解释文献中关于AM零件可加工性研究结果不一致的原因，并为优化AM工艺参数（以控制微观结构）和后续加工参数（以提高效率和质量）提供了科学依据。虽然本研究聚焦于Inconel 718，但其建模框架具有普适性，经过适当修正后可应用于其他AM金属材料，对推动增材制造技术在高端领域的成熟应用具有重要价值。