Численное моделирование усталостного разрушения легких сплавов, полученных по аддитивной технологии

Представлен новый подход для оптимизации технологических параметров процесса селективного лазерного плавления. В качестве параметра оптимизации выступает усталостная долговечность образца, полученного методом селективного лазерного плавления. Для реализации подхода разработан двухэтапный алгоритм. На первом этапе решается трехмерная нестационарная нелинейная задача теплопроводности для многофазной системы. В результате моделирования определяются геометрические параметры однослойных и многослойных систем перекрывающихся технологических треков - следов сплавления порошкового материала при помощи лазерного луча. Проводится исследование влияния параметров лазерного плавления (мощности, скорости, шага лазерного луча) на топологические особенности формируемой микроструктуры. Выявлены характерные типы и геометрические параметры квазирегулярных дефектов материала, полученного методом селективного лазерного плавления, в виде областей «непроплавов» и множественных «переплавов». На втором этапе изучается влияние одиночных и множественных дефектов на усталостную прочность напечатанных образцов при высокочастотном нагружении с использованием ранее предложенной авторами мультирежимной модели усталостного разрушения. Показано, что внутренняя неоднородность микроструктуры материалов, изготовленных путем лазерной наплавки, может приводить к более раннему подповерхностному зарождению усталостных трещин и существенно снижать усталостную прочность и долговечность. Этот эффект проявляется сильнее при множественных дефектах. Обсуждаемые модели и алгоритмы позволяют рассчитать усталостную прочность и долговечность материала в зависимости от выбранных технологических параметров как в случае корсетных образцов для усталостных испытаний, создаваемых селективным лазерным плавлением, так и для изделий. Выполнено математическое моделирование и проведено сравнение усталостной долговечности корсетных образцов с экспериментальными данными. Подтверждено качественное и количественное соответствие результатов.