融合增材制造技术的工程力学专业课程创新实验教学实践

杨未柱 樊哲铭 李磊 王心美 曾延 岳珠峰

［摘 要］在工程应用中，增材制造材料及结构的力学和承载性能至关重要。为适应工程力学专业人才的行业需求，课题组将激光增材制造技术引入实验教学，并设计了激光熔覆修复镍基高温合金小试样的拉伸实验项目。通过激光熔覆修复高温合金小试样制备、基于DIC非接触全场应变测量的小试样拉伸实验以及拉伸断裂机理分析等步骤，学生可以掌握激光熔覆技术原理及其修复高温合金力学性能的评估方法。基于该项目，课题组开展了工程力学专业的创新实验教学，并结合大学生创新创业训练计划，有效提升了学生的实践创新能力，取得了良好效果。

［关键词］增材制造；工程力学专业；创新实验教学；激光熔覆；数字图像相关法

［中图分类号］TB12［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）08-0043-06

工程力学是航空、航天、航海、机械、材料等领域的基础学科，也是连接自然科学与工程实际的桥梁[1]。工程力学专业致力于培养兼具理论基础和工程实践能力的高素质创新人才。目前，增材制造构件因其在航空、航天、汽车及机器人等行业的高设计自由度、经济性、高材料效率及减少装配等优势，得到了广泛应用[2-4]。《中国制造2025》明确将增材制造列入发展智能制造装备和产品、推进制造过程智能化、加快关键技术和装备研发的重点领域[5]。增材制造技术的发展丰富了高性能、多功能结构的设计自由度。然而，由于孔隙、微裂纹等缺陷导致的力学性能分散性，增材制造材料和构件的力学性能评估在工程应用中备受关注[6]。为适应行业发展需求，有必要将增材制造技术引入工程力学专业课程教学中，以培养具备实践创新能力的复合型交叉学科人才。

2019年9月，教育部发布《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》，明确提出应推动科研反哺教学。强化科研育人功能，推动高校及时把最新科研成果转化为教学内容，激发学生专业学习兴趣[7]。将科研成果转化融入教学实践，有助于培养创新实践能力，并提高学生解决实际工程问题的能力[8-10]。此外，在一流课程建设的背景下，提升实验课程的高阶性、创新性也愈发重要[11]。因此，本文针对拔尖创新力学人才的培养需求，将激光增材制造技术引入工程力学专业课的实验教学中，设计了激光熔覆修复镍基高温合金小试样的拉伸实验教学。结合实验课程和大学生创新创业训练计划等教学实践，取得了良好效果，为相关专业创新实验教学提供了借鉴。

一、创新实验教学项目背景及目标

本创新实验教学项目以航空发动机结构损伤修复为背景，针对发动机涡轮部件常用的镍基高温合金，采用激光熔覆技术进行修复。同时结合DIC（Digital Image Correlation，数字图像相关法）非接触测量方法，对含修复界面的试样进行拉伸实验，以评估其修复后的力学性能。镍基高温合金常用于航空发动机涡轮部件，这些部件在高温、高压的复杂热机械载荷环境下工作，易产生烧蚀、开裂等损伤。鉴于涡轮部件对飞行安全的重要性，发展高效、高性能的损伤修复技术至关重要，这有助于降低发动机运维成本，提高安全性。激光熔覆技术是一种利用激光作为能量源的金属增材制造技术，其能量密度大、热影响区小、熔覆组织致密，被视为涡轮部件损伤修复的理想技术[12]，涡轮部件的修复和性能评估技术是我国在航空发动机及燃气轮机领域亟待攻克的“卡脖子”技术之一[13]。西北工业大学作为以航空、航天、航海（以下简称三航）领域人才培养为特色的高等院校，为满足国家及未来行业发展需求，在培养国家一流专业——工程力学专业的学生时，应将广泛应用于三航领域的激光增材制造技术引入教学中。

本创新实验教学项目依托国家级力学实验教学示范中心及陕西省航空发动机结构强度与可靠性重点实验室，秉承价值塑造、能力培养、知识传授“三位一体”的人才培养理念，结合课题组最新科研成果[14-16]，通过科研反哺教学，让学生了解激光熔覆技术的设备和原理，掌握基于DIC非接触测量的小试样拉伸实验方法，提升实践创新能力，并拓宽学术视野。同时，结合项目背景开展课程思政教学，培养学生的家国情怀，激发他们献身国防、建设航空强国的热情。

二、创新实验教学项目设计及实践

（一）实验目的

本创新实验教学项目以镍基高温合金为原材料，通过激光熔覆修复实验及修复后小试样拉伸实验，达到以下实验目的：

第一，了解激光熔覆修复镍基高温合金的设备组成及其基本原理；

第二，采用合适的激光熔覆修复工艺，在镍基高温合金基板上沉积足够材料，制备含修复界面的小试样；

第三，掌握DIC原理及基于DIC非接触测量的小试样拉伸实验方法；

第四，分析含修复界面小试样的拉伸力学性能及其应变分布演化过程；

第五，初步了解断口学，学习拉伸断口的基本分析方法，理解试样断裂机理。

综上所述，通过本创新实验教学项目的实施，可以达到价值塑造、能力提升的教学目的。

（二）实验设备

本创新实验教学项目主要使用激光熔覆设备、非接触全场应变测量系统、电子万能试验机、扫描电子显微镜等设备。以下将重点介绍激光熔覆设备和非接触全场应变测量系统。

1.激光熔覆设备

激光熔覆修复采用同轴送粉式的镭明LM-S0303激光熔覆设备，它由控制系统、激光系统、保护气系统、送粉系统和冷却系统五部分组成，如图1（a）所示。图1（b）展示了激光熔覆技术的运行原理：通过高能激光加热基板形成局部熔池，并利用物料输送系统将粉末输送到成型的熔池中。随着激光光斑的移动，粉末经历熔化和凝固过程后沉积在基板上，实现层叠材料成型或对缺损构件进行修复。

2.非接触全场应变测量系统

鉴于本创新实验教学项目拉伸实验的对象是激光熔覆修复后的小试样，常规的夹式引伸计或应变片并不适用。同时，考虑到熔覆区和基体区材料性能差异，拉伸过程中应变分布不均。因此，课题组采用基于DIC非接触全场应变测量方法。DIC的基本原理是通过跟踪试样表面变形前后散斑图像中同一像素点的位置变化，从而获取该点的位移向量。利用数字图像相关的算法准则，可以测量出试件表面的全场位移及应变数据方法。本创新实验教学项目采用MatchID-2D/3D非接触全场变形与应变测量系统，该系统主要由高速摄像机、光学镜头、数据采集系统、计算机及相关图像存储介质组成。全场应变测量主要包括以下三个步骤：首先，在试件表面通过喷漆制作散斑图，以捕捉变形信息；其次，使用高速摄像机采集试件表面加载前后的实时图像，并将这些图像存储于计算机中；最后，利用软件选择适当的算法处理数据，从而得出试件表面的位移场及应变场。

（三）实验内容

激光熔覆修复镍基高温合金小试样拉伸实验项目综合性较强，主要包含以下三个步骤：激光熔覆修复高温合金小试样制备；基于DIC非接触全场应变测量的小试样拉伸实验；激光熔覆修复高温合金拉伸断裂机理分析。

1.激光熔覆修复高温合金小试样制备

激光熔覆修复高温合金的实验选用GH4169镍基高温合金块体作为基体，将其视为去除表面损伤的待修复构件。在修复过程中，课题组采用真空气雾法制备的GH4169镍基高温合金粉末［见图2（a）］。修复完成后，课题组切取含修复界面的小试样，以便后续评估激光熔覆修复高温合金的力学性能。主要步骤如下：

（1）在激光熔覆前，先用粗砂纸打磨基板表面，除去基板表面氧化层，再用丙酮清洗并烘干；

（2）进行激光熔覆时，通过控制系统按照预定的激光熔覆工艺参数和扫描路径，逐道逐层进行熔覆，直至在基板上形成足够高度的块体；

（3）激光熔覆完成后，切取包含基体区和熔覆区（即含修复界面）的小试样，以备后续的拉伸实验使用。

根据课题组的前期研究[14]，激光熔覆修复过程中采用的主要工艺参数如下：激光功率600～800 w，扫描速度400～500 mm/min，送粉速率2.0～3.5 g/min，z轴抬升量0.5 mm，扫描路径采用“之”字形，且每层之间旋转90°。此外，为了降低熔覆过程中的氧化程度，全程采用保护气系统向熔覆头周围输送保护气，营造高纯度氩气环境。

考虑到高温合金原材料成本以及大尺寸激光熔覆成型耗时，本创新实验教学项目采用小试样进行激光熔覆修复高温合金力学性能的评估。图2（b）展示了切取含修复界面小试样的示意图，取样原则为一半基体区、一半熔覆区，设计的小试样尺寸如图2（c）所示。

2.基于DIC非接触全场应变测量的小试样拉伸实验

针对修复后的高温合金小试样，课题组进行了拉伸实验，利用非接触全场应变测量系统观测拉伸过程中试样的应变分布变化。整个拉伸实验在电子万能试验机上完成，实验布置如图3（a）所示。主要步骤如下：

（1）实验前，对高温合金小试样表面进行制斑处理，确保散斑均匀、大小适中，以提高散斑质量；

（2）搭建实验系统，包括安装试样夹具与试验件，架设非接触全场应变测量系统，将高速摄像机对准小试样的标距段，调节两侧光源照射在标距段，并在测量软件中设定初始参考位置；

（3）进行拉伸实验，采用位移加载方式，记录实验数据，同时利用测量系统持续拍摄试样散斑照片；

（4）处理实验数据，基于DIC非接触测量获取位移和应变数据，结合电子万能试验机记录的载荷数据绘制工程应力—应变曲线，并利用测量软件分析应变分布的变化过程。

喷涂完成的带散斑小试样和试样夹具分别如图3（b）和（c）所示。在进行拉伸实验时，摄像机和电子万能试验机应采用相同的采样频率，以简化实验数据处理。小试样的工程应变采用基于虚拟引伸计获取的标距段变形进行计算。但由于基体区和熔覆区的材料性能差异，标距段应变分布可能会不均匀。

3.激光熔覆修复高温合金拉伸断裂机理分析

针对上述拉伸实验后的小试样断口，课题组将进行断裂机理分析。首先，需要制备试样，随后利用扫描电子显微镜对断口试样进行形貌观测与分析。主要步骤如下：

（1）使用超声波清洗仪去除断口小试样表面的油污；

（2）利用导电胶将小试样固定在样品盘上，并将制备好的试样放置在扫描电子显微镜样品台上，随后抽真空；

（3）开启高压，调整样品台至合适位置，调焦并选择适当的放大倍数，对试样断口形貌和细微观结构特征进行观测；

（4）结合拉伸实验结果和断口学知识，分析试样断裂模式，从而揭示激光熔覆修复高温合金的断裂机理。

（四）实验结果与讨论

1.拉伸力学性能

图4展示了拉伸实验获得的高温合金小试样应力—应变曲线。数据显示，激光熔覆修复后的镍基高温合金在常温下的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为844.7 MPa、1138.5 MPa和18.5%，相较于基体材料本身的958.7 MPa、1191.1 MPa和33%均有所降低，表明修复后的镍基高温合金强度和塑性有所降低，但强度降低并不显著，屈服强度和抗拉强度仍保持在基体材料性能的90%左右。图4展示了基于DIC得到的不同拉伸阶段的应变分布云图。在弹性阶段，基体区和熔覆区即表现出不同的应变特性，熔覆区的应变较大，这反映了熔覆区材料的弹性模量相较于基体区小，因此在相同载荷作用下呈现出更大的应变。进入塑性阶段后，两区域的应变逐渐增加，但熔覆区的应变增长更为显著。最终，熔覆区出现了明显的局部变形，即颈缩现象，随后在颈缩区域发生断裂。

分布图

基于课题组研究[14-16]观测的微观组织等，可以向学生解释激光熔覆修复试样与基体材料本身力学性能差异的原因。微观组织分析显示，激光熔覆成型过程中温度梯度大和凝固速率高，快速凝固生成了大量脆性相Laves相，抑制了[γ']与[γ'']强化相的析出。因此，生成的枝晶组织强度与硬度较低，导致整体强度下降。此外，熔覆区域的枝晶与基体区域的等轴晶组织形貌不同，造成了延伸率的差异。

2.断裂机理分析

拉伸实验结果显示，断裂发生在熔覆区，表明激光熔覆修复后的界面结合强度较高。为揭示拉伸断裂机理，课题组采用扫描电子显微镜对高温合金小试样的拉伸断口进行了观测。图5（a）展示了断口的宏观形貌，整体表现为韧性断裂，断口上仅有少量孔隙，孔隙率较低，表明激光熔覆修复的高温合金致密性良好。由于本实验中的小试样未经热处理，Laves相周围缺乏大量γ''强化相，因此在拉伸载荷作用下，Laves相容易形成应力集中并引发滑移破碎，生成如图5（b）所示的大量二次裂纹。这些二次裂纹的存在表明，激光熔覆修复的GH4169合金的断裂模式为混合断裂。

在拉伸载荷作用下，由于枝晶干γ相与枝晶间脆性相Laves相的韧性差异，长条状的Laves相容易形成应力集中并引发滑移破碎。而颗粒状的Laves相由于断裂时临界应力较高，在受到拉伸载荷时会在Laves/γ界面上发生剥离现象[14，17]。这种剥离产生了大量微孔洞，随着拉伸实验的进行，微孔不断生长、相互连通形成裂纹，最终导致断裂。进一步放大的局部断口图5（c）展示了断裂后形成的以枝晶间为韧窝中心、枝晶干为撕裂棱的韧窝组织[18]。

（五）实验考核

考虑到本创新实验教学项目的综合性和工作量，课题组采用小组形式进行教学实践，每组5人，组内成员须根据实验任务自主分工合作。鉴于激光熔覆设备、非接触全场应变测量系统、电子万能试验机、扫描电子显微镜等设备操作复杂且价值昂贵，课题组安排了操作熟练的研究生助教来指导和协助实验。为提高实验效率，断口观测分析采用预先制样和现场观测演示的形式，重点在于培养学生对断裂机理的认知。为提升学生的实验参与度和能力，本创新实验教学项目采用综合考核方式，从实验报告质量、团队协作、组内互评、助教评价四个方面进行评分，同时鼓励学生在实验报告中增加讨论分析，提出个人见解。

三、创新实验教学成效

通过本创新实验教学项目，学生可直接接触激光增材制造技术，系统掌握激光熔覆修复材料或构件的力学性能评估流程，学习基于DIC的非接触测量方法。这不仅拓宽了学生的学术视野，还锻炼了他们的实践创新能力和解决问题的能力，以及激发了学习兴趣，增强了专业认同感。结合本项目与其他课程建设，课题组提升了实验力学课、工程力学实验课等多门专业课的高阶性、创新性和挑战度。在此过程中，课题组荣获了省级和校级教学创新竞赛奖项3项，获批了教育部产学合作协同育人项目1项，并成功打造了省级和校级一流课程2门。近两年，本科生依托本创新实验教学项目成功获批国家级大创项目2项、省级1项，并申请了相关发明专利3项。同时，参与的研究生也在力学领域顶刊上发表了4篇关于激光熔覆方向的高水平论文，分别刊登在IJP、IJMS和IJF等期刊上。

四、结语

课题组紧密结合国家需求和产业发展趋势，建设了激光熔覆修复镍基高温合金小试样拉伸的创新实验教学项目。该项目将增材制造技术引入工程力学专业实验教学，基于DIC非接触测量方法，涉及材料、机械制造、力学等多学科知识，呈现出鲜明的学科交叉性、前沿性及综合研究性。通过创新实验教学的探索与实践，学生得以掌握激光熔覆技术原理及修复高温合金力学性能的评估方法，从而提升实践创新能力和科研素养，拓宽学术视野。此举为培养适应未来行业需求的工程力学专业高水平拔尖创新人才提供了有力支撑。

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［责任编辑：梁金凤］