专为热机械校准和基于应变的硬度预测而设计的WAAM 316L基准墙

《Scientific Reports》：Purpose-built WAAM 316L benchmark walls for thermo-mechanical calibration and strain-based hardness prediction

　　

摘要

316L材料的电弧增材制造（WAAM）过程中会产生复杂的热循环、变形和加工硬化现象，这些现象在三维模型中难以验证。因此，在本文中，我们专门设计并制造了两个基准试样（双层和三层结构），用于校准和验证MOOSE软件中的开源热力学仿真算法，重点关注硬度预测。试样几何结构包含了未完成的焊接层、可控的重叠区域以及稳态区域，从而能够在单次制造过程中同时模拟材料的热过渡行为和准稳态行为。通过布置多组热电偶（位于试样顶部和底部），实现了可靠的热学参数校准，能够精确再现材料的峰值温度和冷却过程。全场三维扫描获得了变形数据，并将其转化为标准化的变形指数；MOISE软件再现的纵向/横向变形误差≤0.10毫米。对两个截面的微观硬度分布与基于Tabor型塑性应变模型的模拟结果进行了对比。在V1/V2/H1等线附近，使用完整的J₂不变量模型得到的硬度测量结果与实验数据之间的平均绝对误差（MAE）约为6–10赫瓦（与实验散布偏差相当）；而仅使用“法向应变”参数的简化模型得到的MAE约为25–35赫瓦，并且错过了重叠区域的硬度峰值（误差约为20–40赫瓦），这表明在316L材料的WAAM过程中需要采用完整的应变不变量模型。与以往仅考虑单条焊缝或仅分析热效应/变形的WAAM验证研究不同，本研究提供了包含热场、变形和硬度数据的完整数据集，并采用开放的MOOSE工作流程，能够基于校准后的应变数据实现全场三维硬度分布的绘制。这些基准试样揭示了层数和焊接模式如何通过再加热和约束机制影响材料硬度，并为热源参数、边界条件及硬度模型比较提供了可重复使用的测试平台。