增材制造金屬結構件殘余應力的研究進展

溫飛娟，譚春梅，溫奇飛，龍 樟，鄧 榮

(1. 西南石油大學工程學院，四川 南充 637000.(2. 西安展實檢測工程有限公司，陜西 西安 710018)

1 前 言

增材制造技術于20世紀80年代提出，至今已有40多年的歷史，被認為是第四次工業革命中的關鍵因素，對于未來創新性科技的產生和發展具有里程碑式的意義[1-3]。得益于各國和各地方政府的政策支持，及材料和高能量源技術的快速發展，增材制造技術展現出巨大的發展潛能。在材料開發方面，形成了以金屬、有機高分子為主流，在陶瓷、玻璃、細胞等方面不斷創新突破的趨勢[2]，而隨著制造業對金屬合金和金屬梯度材料需求的不斷增加，對于金屬增材制造的研究和應用需求也進一步深入[4-6]；在成形尺寸方面，大至可以用于數十米級的建筑打印，小至用于數十納米級的雙光子聚合，而跨尺寸增材制造則兼具精度和效率的獨特優勢，具有良好的成型精度，能顯著降低缺陷率并提高力學性能；在產品應用方面，在航空航天、醫療領域可最大限度利用增材制造定制化、低成本制造復雜結構的優勢，在建筑工程領域可用于優化復雜空間結構節點[7]，在電子器件領域則可利用增材制造累加不同性質材料的特點，增材制造的應用已呈現新產品不斷研發、部分產品規?；a的良好局面。相比常規加工，金屬增材制造在輕量化、高成本材料加工修復、品質提升、精密制造、響應快速、成本降低與供應鏈革新等方面能夠發揮優勢，適合小批量、高附加值、結構復雜的產品或新品研發使用[8-10]。

對作為工業關鍵零部件的首選材料之一的金屬而言，由于增材制造工藝設定參數的差異以及成形金屬材料相變和組織演變復雜，會造成制造過程控制難度大[11-13]，另外由于復雜的熱力學過程，目前金屬增材制造的應用面臨著嚴峻的質量挑戰。因此，金屬增材制件在增材制造體系中難度最大，其研究也最富意義[4]。金屬增材制造難點包括金屬增材制造精度、層間質量、材料組織缺陷及性能控制等方面[8]。金屬增材制造構件經非平衡凝固后，內部引起大量殘余應力，易造成應力變形，從而影響構件力學性能、尺寸穩定性、使用壽命以及精度，有必要對其殘余應力深入研究[14，15]。殘余應力可以產生類似于應力集中所產生的影響，而應力集中對構件的生命周期至關重要。在焊接部件中，殘余應力與進一步的加載應力結合可以顯著降低部件疲勞抗力，并導致變形、分層、裂紋和其他結構失效[16]。金屬增材制造在快速冷卻過程中產生的殘余應力使得構件疲勞性能大幅下降，且內部孔隙在疲勞載荷作用下加速裂紋擴展，縮短零件壽命。目前，殘余應力是增材制造研究的熱點問題。本文主要針對金屬增材制造的原理及特點、殘余應力的產生機制及測量方法的研究現狀進行系統論述，并探討金屬增材制造殘余應力的調控手段。

2 增材制造技術原理及特點

增材制造是基于零件的三維設計模型堆疊材料成實體，是一種完全不同于常規減材制造的制造方法[2，17]。金屬增材制造技術基于計算機輔助設計技術將零件的三維模型切片，并分割成二維模型數據層，使用高能量源(等離子、激光、電子束、電弧等)將金屬粉末或金屬絲材快速逐層熔化疊加制備成具有復雜幾何形狀的零件[17，18]。這項技術打破了傳統“鑄造—鍛造—機械加工”工藝的局限性，可制備傳統制造技術在短期不易制備的復雜內腔、薄壁零件以及梯度材料[1]，也為設計人員提供了自由的零件設計思路，具有柔性高、工序簡單、無需開模、材料利用率高、不受零件結構和材料限制等優點[1，17]。目前增材制造技術在商業機器、先進軌道交通、電子、國防、軍工等行業有著廣闊的前景，在特定應用領域該技術已顛覆了以往常規的制造技術[4]。然而，金屬增材制造成形零件時，由于經歷極熱極冷，高的溫度梯度、熔池的快速凝固、組織轉變等引起殘余應力的復雜分布，當殘余應力累積到一定程度，甚至會導致零件產生層間分離、裂紋等缺陷，減少零件的使用壽命[19]。常見的增材制造具體技術方向如圖1所示。不同的增材制造技術工藝原理相似，其中激光選區熔化(selective laser melting，SLM)和電弧增材制造(wire and arc additive manufacturing，WAAM)最為常見。

圖1 金屬增材制造技術的分類Fig.1 Classification of metal additive manufacturing technology

表1對各類增材制造技術的成形質量及適用性進行了總結。由表1對比可知，電弧增材制造雖然成形質量略差，但在成形速度、成形能力、設備機動性以及抗干擾能力等方面均具有較大的優勢；激光近凈成形技術在各個方面都比較均衡；而其他幾項技術的適用性相對較差。目前，電弧增材制造和激光近凈成形技術具有較大的應用潛力。

表1 增材制造各類技術的適用性Table 1 Applicability of several additive manufacturing technologies

2.1 激光選區熔化

激光選區熔化是根據選區激光燒結發展而來，該技術通過高能激光束，按設定的掃描路徑及掃描速度，將分層的金屬粉末層選擇性熔化及熔合，再快速冷卻凝固形成金屬構件，設備及原理示意圖見下圖2，主要用于中小型構件的制造[20]。在激光選區熔化過程中，金屬粉末粒子從激光束中吸收高能量，產生極端高溫，粉末發生熔化，然后快速冷卻，使熔融的金屬凝固。這個步驟是重復的，一層一層的重疊確保了三維構件的形成。激光熔化是在氬氣或氮氣環境下進行的，以避免金屬粉末在高溫中氧化[21]。材料通過激光加熱熔化膨脹，激光頭移動后材料迅速冷卻、凝固收縮，存在很大的溫度梯度，難以避免殘余應力在零件內部形成，易對激光選區熔化設備中的刮刀造成嚴重的損傷。較大的殘余應力會改變構件最終的幾何形狀，引入力學性能各向異性，并降低疲勞壽命，過大的殘余應力會使零件開裂失效[2，7，17]。由于激光選區熔化工藝中使用了復雜的激光光柵圖案，材料的某些區域經歷多次再加熱和冷卻循環，因此，殘余應力表現出了復雜的時空格局。

圖2 激光選區熔化成形設備及原理示意圖[20]Fig.2 Schematic diagram of the equipment and principle of selective laser melting technology[20]

激光選區熔化最主要的特點是出現傳熱學中的固液相變問題，即存在隨時間變化的液相區和糊狀區。激光選區熔化工藝下材料物理行為非常復雜，例如流體流動、傳熱和熔化/凝固。激光選擇性地掃描粉末床時，粉末被加熱，然后隨著溫度高于熔點而熔化，形成熔池。高強度激光通常會引起較大的溫度梯度并導致表面張力的差異，稱為馬蘭戈尼效應[22]。一旦溫度超過沸點，就會出現反沖壓力。馬蘭戈尼效應和反沖壓力會極大地影響熔體的流動，進而影響熔池的形狀。激光光斑離開后，熔體冷卻下來，然后凝固形成一條實心軌跡。零件就是通過一層一層的熔化和固化制造出來的[23]。

德國是最早開始研究激光選區熔化技術的國家之一，并在2002年成功研發出相關設備。目前，國內外主要的激光選區熔化設備廠家和設備參數如表2[24]所示。

表2 國內外主要的激光選區熔化(SLM)設備廠家和設備參數[24]Table 2 Main selective laser manufacturing (SLM) equipment manufacturers and equipment parameters at home and abroad[24]

激光選區熔化成形件抗拉強度可高出常規鑄件，達到鍛件水平，孔隙率較低，成形精度高，致密性好。因此，激光選區熔化可以進行大型承力結構的高效成型和復雜精密構件的制造，迄今為止，仍是應用范圍最廣、成形結構最復雜、適用材料最多的一種增材制造技術，廣泛應用在汽車、醫療、航空航天等領域[1，4，17]。

2.2 電弧增材制造

與基于粉末的增材制造工藝相比，電弧增材制造工藝需要的設備和焊絲材料成本更低，因為它結合了傳統的電弧焊，以電弧為熱源，焊絲材料有許多不同的等級，具有明確的質量標準。此外，電弧增材制造工藝提供了更高的沉積速率，從而提高了生產率。因此，電弧增材制造工藝廣泛應用于大型國防和航天部件的生產，其原理如圖3所示[24，25]。

圖3 電弧增材制造技術的設備及原理示意圖[25]Fig.3 Schematic diagram of the equipment and principle of wire and arc additive manufacturing (WAAM)technology[25]

為了準確預測金屬電弧增材制造過程中的實際情況，各種焊接熱源模型被廣泛應用。常用的熱源模型有表面熱源和體積熱源。表面熱源可以模擬等離子體和表面熔池對工件的加熱效果，適用于小電弧沖擊和淺熔池深度，包括表面高斯熱源、雙橢圓熱源等。如果在表面熱源的厚度方向上加入熱相互作用，首選體積熱源，如高斯熱源、雙橢球熱源、半橢球熱源。體積熱源模型適用于激光焊接等高能焊接方法產生的窄而深的熔池以及熔化極氣體保護焊焊接過程中熔滴的熱源分布。當熔池較大且較深時，三維體積熱源模型能較好地反映增材制造過程的傳熱過程[26]。然而，三維體積熱源模型的函數方程比較繁瑣，計算耗時長，特別是針對形狀復雜的大型零件時[23]。

圖4展示了多道焊、激光選區熔化和電弧增材制造的工藝模型。從仿真和工藝的角度來看，這3種制造工藝非常相似。盡管如此，這些工藝模型之間的差異也很明顯。比較多道焊模型和電弧增材制造模型，可以看到多道焊所有的焊道都被周圍的母材和附近的焊道包圍，而電弧增材制造的打印層除了第一層外，主要與附近打印層相連接。激光選區熔化模型與電弧增材制造模型相比，其構件中的層厚度通常遠小于電弧增材制造部件的[27]。

圖4 相同焊道/層數下3種制造工藝的模型示意圖[24]：(a)多道焊模型，(b)激光選區熔化模型，(c)電弧增材制造模型Fig.4 Schematic illustrations of three manufacturing processes models with the same number of passes/layers[24]：(a)multi-pass welding model，(b)selective laser melting (SLM)model，(c)wire and arc additive manufacturing (WAAM)model

3 增材制造過程中殘余應力的產生機制及測量方法

3.1 殘余應力的產生機制

殘余應力是在增材制造過程中由高的溫度梯度和快速冷卻引發；在增材制造工件表面通常分布著較高殘余拉應力，而襯底的存在對殘余應力的大小也有顯著影響[27，28]。增材制造中殘余應力的起源可以用溫度梯度機制來解釋，如圖5所示[16，29]。在加熱時，由于熱源作用產生一系列局部彈塑性變形，輻照區進一步產生拉應力，頂層熔融層在冷卻過程中發生熱收縮，形成拉伸和壓縮的殘余應力區(分別為上層和下層)。由于增材制造過程非常復雜，溫度梯度機制模型僅代表了簡化的殘余應力生成方式。

圖5 增材制造時輻照區在加熱階段(a)和冷卻階段(b)的應力和變形示意圖[29]Fig.5 Stress and deformation schematics in the irradiated zone of additive manufacturing during heating stage (a)and cooling stage (b)[29]

3.1.1 激光選區熔化殘余應力的產生

在激光選區熔化過程中殘余應力主要在受熱和冷卻2個過程中產生。有限元模擬表明[30]，位于高能激光束中心和周圍的金屬粉末以更高的升溫速率快速熔化形成熔池，打印層已成形部位熱膨脹速率較快而且被周圍約束，引起壓應力；與此同時，高溫部位屈服強度降低，某些部位的熱應力超過屈服極限，引起熔池部分塑性熱壓縮應變的形成，如圖6所示。

圖6 有限元方法模擬所得的激光選區熔化受熱過程熔池周圍的熱應力場[30]：(a)熔池的側視圖；(b)熔池的俯視圖；(c)應力集中發生在靠近熔池的孔隙中Fig.6 Simulated thermal stress field around the molten pool during heating stage of selective laser melting by using finite element method[30]：(a)the side view of molten pool；(b)the top view of molten pool；(c)the stress concentration occurs in the pore near the molten pool

激光束遠離階段，熔池凝固時由于產生熱收縮并被周圍限制，會引起局部拉伸應力[29]，而在熔池下部已固化部分的溫度較低，形成了與之平衡的殘余壓應力[7，28]。在加工下一層時，之前受熱的打印層變為下層，殘余應力為壓應力，并且之后的二次冷熱循環會使壓應力進一步增強，多層溫度累積會平衡底層殘余應力[30]。最大殘余應力隨著增材制造高度的增加先降低后增大，并最終趨于穩定，加工完成后零件最高層相比于底層徑向收縮量隨著加工層數的增大而增大[7，31]。在切割分離基板后，基板連接處較高應力水平快速釋放，在制品中形成兩側為拉應力和中部為壓應力的殘余應力分布，其大小主要受材料屈服強度、基板剛度和制品幾何尺寸影響[7]。過量殘余應力的產生會使材料的力學性能發生顯著的變化，特別是沖擊疲勞性能，還會在加工過程中或之后造成過度的幾何變形，最終導致增材制造部件的失效[5]。Li等[29]研究發現當使用增材制造打印CAD模型時，由于反復加熱和冷卻或獨特的熱循環，會在模型中產生殘余應力。這種獨特的熱循環包括前一層“回融”的融化，同時熔化頂層和之前凝固的層，導致零件變形。Pidge等[32]進一步研究發現，高能熱源迅速加熱材料，材料向外膨脹，但由于熱源與環境的溫差，這種膨脹受到環境溫度的制約而在加熱區產生了壓應力。當熱源離開時，加熱區域開始冷卻，這就導致了材料的收縮，且與加熱階段形成的塑性應變相反。因此，拉伸殘余應力被一個壓縮區平衡。

3.1.2 電弧增材制造殘余應力的產生

電弧增材制造過程中金屬絲材和熔池的溫度急劇上升和下降，高熱量輸入導致不可忽視的殘余應力，這可能會影響構件結構的完整性和使用壽命。增材制造構件各方向交叉區域具有包含流體靜力拉伸殘余應力的理論風險，而這些殘余應力最終不能被熱應力解除，且電弧增材制造產生非常大的應力，需要限制每一次電弧沉積的冷卻來防止熱收縮[33]。

大量研究者對于電弧增材制造構件中殘余應力的分布特征進行相應研究。Sun等[27]通過數值模擬分析了電弧增材制造鋁合金部件的殘余應力分布特征，其結果如圖7所示。圖7b表明，當梁的高度超過一定的值時，最后一層會產生縱向壓應力，這明顯不同于多道焊和激光選區熔化的構件；圖7c和7d表明隨著梁高度的增加，襯底和梁中縱向殘余應力的變化先快后慢；但梁的高度對梁內橫向殘余應力的大小幾乎沒有影響(圖7e)，而襯底橫向殘余應力的大小隨梁的高度先有明顯的變化，后變化非常緩慢(圖7f)。由于電弧增材制造構件的橫梁橫向約束程度較低，其橫梁橫向殘余應力遠小于基板橫向殘余應力。

圖7 有限元模擬獲得的電弧增材制造鋁合金部件殘余應力分布規律[27]：(a)有限元模型；(b)沿線條3(梁)的縱向殘余應力分布；(c)沿線條1(襯底上部)的縱向殘余應力分布；(d)沿線條2(襯底基層)的縱向殘余應力分布；(e)沿線條1的橫向殘余應力分布；(f)沿線條2的橫向殘余應力分布Fig.7 Residual stress distribution of aluminum alloy wire and arc additive manufactured components by finite element method simulation[27]：(a)finite element model；(b)distribution of longitudinal residual stress along line 3 (beam)，(c)distribution of longitudinal residual stress along line 1 (upper substrate)，(d)distribution of longitudinal residual stress along line 2 (substrate base)，(e)distribution of transverse residual stress along line 1，(f)distribution of transverse residual stress along line 2

3.2 殘余應力的測量方法

殘余應力的測量技術種類繁多，通常分為破壞性檢測和無損檢測2大類。

破壞性檢測主要是機械法，即分離構件中存在殘余應力的部分，并釋放應力，通過測量應變的變化來計算獲取殘余應力，包括逐層切削法、鉆孔法、電化學腐蝕剝層法、分割全釋放法、基于鉆孔法的云紋干涉法和全息干涉法等[30]，應用最廣泛的是鉆孔法和輪廓法[34]。Liu等[35]采用雙切輪廓法測量了試樣內部的雙軸殘余應力分布，研究表明：環形電弧增材制造模型的應力分布與厚焊縫中心線多道接頭的應力分布相似。H?nnige等[33]發現輪廓法的零應力假設在不平衡應力場中是無效的，需要進行后處理，而中子衍射測量的結果可以定性地揭示沉積交點的大應力和梯度區域。Robinson等[36]研究了一種將基于撓度的方法與鉆孔法或輪廓法相結合的方法，利用撓度數據和有限元模型確定了從主襯底去除零件過程而減輕的應力。結果表明，當零件從主襯底中去除時，其內部的應力大大減少。構件的應力水平對鉆孔方法的精度有直接影響：如果應力大于材料屈服應力的60%，那么分析要求考慮塑性。將鉆孔法和輪廓法計算的應力與撓度法計算的應力相結合，計算結果表明，零件在加工后存在較大的應力。破壞性檢測會損傷零部件，不適合在實際生產中對大批量零件進行殘余應力檢測，但精度普遍較高，技術也成熟，適合實驗室研究[28，30]。

增材制造金屬構件的殘余應力無損檢測主要借鑒針對傳統鍛/鑄件的測試手段，暫未建立起金屬增材制造專用的無損檢測標準體系[11]。目前主要有X射線衍射(XRD)法、超聲波法、磁測法和拉曼或熒光光譜法。X射線衍射可以精確計算殘余應力，但只能測量材料表層的殘余應力，對于內部應力效果較差[30]。隨著中子和同步輻射衍射技術的發展，無損殘余應力評價方法得到了極大的發展[34]。Marola等[37]利用拉曼光譜和XRD研究了激光粉末熔化AlSi10Mg的殘余應力。XRD測定的應力是作用在Al合金基體上的宏觀應力，而拉曼光譜測定的應力是作用在細Si析出物上的微應力(圖8)，并提供了一個詳細的工序確定含游離硅的合金中的殘余應力。超聲波的方向性好、穿透能力強，主要用于殘余應力、孔洞、粗糙度和缺陷的測量。但超聲波法精度較低，未來的發展需要優化超聲波設備與增材制造硬件之間的連接。由于超聲波法局限于簡單的幾何形狀，增材制造零件的復雜性也是超聲波法面臨的另一個挑戰。中子衍射法可以測得構件內部深度達厘米級范圍內的應力分布，且精度較高，但運行成本非常高[38]。Shen等[39]提出了一種用中子衍射法測量電弧增材制造工藝原位合成的Fe3Al金屬間化合物的殘余應力的方法。Pidge等[32]采用數字圖像相關法和中子衍射法測得不銹鋼316L的L形棒殘余應力在中心處是壓縮應力，在L形棒表面附近是拉伸應力。

圖8 拉曼光譜技術測量的激光粉末熔化的AlSi10Mg中細Si析出物上的殘余應力[37]Fig.8 Residual stress on fine Si precipitates in AlSi10Mg melted by laser power measured by Raman spectroscopy[37]

隨著測試儀器的發展，一些新的殘余應力測量方式也相應出現。如采用裂紋柔度法對電子束選區熔化和激光選區熔化構件的殘余應力進行對比分析[40]。研究發現電子束熔化的殘余應力可以忽略不計，而激光選區熔化在構件中間產生壓應力，在底部和頂部產生拉應力，進一步研究發現，在激光選區熔化過程中對搭建平臺進行預熱，可以顯著降低構件的殘余應力和孔隙率。Zhan等[41]首次將激光超聲技術作為一種先進的無損檢測方法應用于激光加工TC4鈦合金的殘余應力測量，利用脈沖激光誘導的表面波反演縱向和橫向殘余應力。研究發現：試樣的殘余應力水平屬于低殘余應力域，平行于掃描方向的殘余應力明顯大于垂直于掃描方向的。

對于激光增材制造，加工過程中溫度、應力變化較快，采用傳統的測試方法不能對其成形過程的應力變化進行實時的精確測量[30]。隨著計算機技術的發展，數值模擬以其經濟、科學、可靠的優勢在增材制造應力場變化規律研究中的應用越來越廣。郭玉[42]采用每增加一層，掃描路徑與原路徑相比順時針旋轉67°的方式，激光增材制造GH4169鎳基高溫合金長方體試樣，利用ANSYS軟件進行殘余應力模擬，得出殘余應力主要分布在零件底部兩端以及中間位置，且兩端的殘余應力集中要比中間更嚴重，與試驗結果吻合。李桂偉[43]通過模擬仿真發現，金屬玻璃三維樣件與基板接觸的底層和樣件的棱角處容易產生較大的殘余應力。對于激光選區熔化，嚴重熱梯度會產生巨大的殘余應力，從而使構件幾何扭曲并改變構件性能。Bartlett等[44]開發了一種用于激光選區熔化部件殘余應力測量的程序，使用三維數字圖像來捕獲原位表面畸變，建立二維解析模型，將數字圖像表面曲率測量值轉換為面內殘余應力的估計。使用316L不銹鋼“倒錐”構件進行實驗驗證，研究發現，殘余應力在打印零件表面存在差異，且與零件幾何形狀相互作用強烈。Bieglar等[45]提出了一種新的方法來量化變形，將數字圖像與光學濾波器結合，直接測量由激光增材制造產生的金屬層幾何形狀的原位畸變。

殘余應力的測量方法多種多樣，但是，從實驗和理論的角度來看，殘余應力的確定過程仍然是非常復雜的。

4 殘余應力調控

由于殘余應力是誘導增材制造構件產生裂紋、尺寸變形的重要原因，因此，采用一些手段控制增材制造構件的應力水平，防止構件內部應力集中具有非常重要的意義[46]。

4.1 工藝參數調控應力變形

優化增材制造工藝參數可以實現應力累積過程的控制，減小變形開裂傾向[30]。合理設計的填充材料或粉末成分可以在焊接或增材制造過程中通過固相相變產生壓縮來抵抗局部拉伸殘余應力。通過預熱過程還可利用有利的相變在某些方面降低內部壓縮殘余應力，特別是有研究表明[47，48]，當線膨脹系數更接近時，粘結材料之間的變形會減少。因此，在設計粉末成分和激光選區熔化工藝時，利用熱效應和相變來抵消殘余應力不失為一種有效方法。Robinson等[36]發現單向矢量制造的激光選區熔化構件的殘余應力主要集中在掃描方向，在垂直于掃描矢量方向上存在大約一半大小的應力，X-Y交替多向掃描策略獲得了最均勻的應力分布和最低的殘余應力。Nadammal等[49]研究了4種不同掃描策略對激光粉末床熔融鎳基高溫合金零件完整性的影響，發現在預處理階段，通過將掃描策略、艙口長度和艙口間距有效結合來控制殘余應力狀態，可減輕殘余應力的影響。Rasul等[50]利用有限元方法建立了研究激光光斑重疊對AlSi10Mg成形件殘余應力影響的熱力學模型，模擬結果表明，隨著激光光斑重疊度的增大，成形件殘余應力增大。當重疊區為2 mm×2 mm時殘余應力最小，但出現多條裂紋；5 mm×5 mm的重疊區為高密度的最佳掃描策略，掃描出來的零件有更好的力學性能，將產生相對較少的殘余應力[32]。Bian等[51]研究了激光選區熔化的激光功率(160和200 W)和掃描策略(條紋掃描和棋盤掃描)對316L鋼殘余應力分布的影響，模擬和實驗結果均表明，4種情況下的敏感區域(每層的中心區域)，拉伸殘余應力從表面到內部逐漸增加；且與切換2種掃描策略相比，激光功率從160 W增加到200 W時，殘余應力增加更顯著。Chen等[52]針對熱殘余應力/變形的控制問題，提出了一種基于水平集的掃描路徑優化方法。該方法可實現幾何輪廓分明零件的分層連續掃描路徑優化。同時研究發現，在L型托架應力最小化問題中，從結構和掃描路徑2方面并行設計后最大等效應力比只優化掃描路徑的最大等效應力更小。Matthews等[53]提出了通過定制的激光束輪廓來控制微觀組織和殘余應力的實驗和模擬方法。與高斯光束相比，橢圓光束和貝塞爾光束可以產生更多的等軸顯微組織，而基于二極管的分布式照明光束可以減少殘余應力。且采用較短的掃描矢量可以獲得高表面溫度、小凝固前沿熱梯度，從而實現殘余應力的最小化[54]。

4.2 預熱緩冷及重熔調控應力變形

為了解決增材制造過程中溫度梯度較大導致殘余應力的問題，基板預熱、氣氛預熱、多光束、光束重復掃描等多種方法應運而生[55]。采用基板預熱的方式，可以減少溫度梯度，使整個激光增材制造零件內應力均勻分布。但是對于大型零件，整體實行基板預熱會產生較大的成本，不易實現?？山梃b局部熱處理技術的思想，通過對應力集中點進行預熱，抑制應力集中點的應力產生，使之不足以產生裂紋。一般來說，激光增材制造應力集中點主要集中在掃描路徑軌跡方向改變的轉角位置、加工的起始點及終止點。專門針對這些應力集中點進行點加熱，可以取得較好的應力控制效果，防止零件變形開裂。趙宇輝等[46]基于有限元模擬對單點預熱應力控制方法進行驗證，發現點熱源預熱可以達到去除應力的效果，對加工結束時刻整體應力水平去除效果更為明顯，預熱溫度值變化對應力去除效果影響不是很顯著。與激光選區熔化零件相比，電子束熔化加工的零件具有更低的殘余應力。這是由于粉末在床上進行了充分的預熱，并在惰性環境中打印，避免了氧化。在金屬共晶體系中，通過控制無錨激光選區熔化或半固態加工輸入激光能量和預熱，使加工層材料保持半固態狀態，可以降低零件的殘余應力[56]。

4.3 結構設計調控應力變形

結構優化設計通過使結構過渡均勻、支撐結構優化進而減小應力變形，進而減小或改善殘余應力的分布，這是一種新的應力調控思路。采用連續拓撲優化算法，在優化過程中將增材制造過程中的散熱過程考慮到模型中，通過高散熱效率的支撐結構使激光熱量高效地通過支撐結構傳遞至基板，最終確保原型件殘余應力及熱變形可控[57]。在增材制造過程中，沉積模式對殘余應力分布有顯著影響。Sun[58]提出了一種適用于金屬增材制造過程的新模式—S模式(如圖9所示)，采用有限元方法研究了S型、鋸齒型、光柵型、交替線型及內外螺旋型5種典型長方體結構的溫度場和應力場，結果表明：S型結構的等效殘余應力、最大主殘余應力都能達到最低限度。

圖9 S型沉積模式[58]：(a)一層，(b)多層Fig.9 S-type deposition mode[58]：(a)one layer，(b)multiple layers

Cheng等[59]為了使拓撲優化計算易于處理，在增材制造模型中采用固有應變法對殘余應力進行快速預測。采用梯度點陣結構優化設計支撐結構，通過將最大應力限制在屈服強度之下，可以防止殘余應力引起的開裂。為了驗證該方法的可行性，分別設計了雙懸臂梁和髖關節種植體的支撐結構。優化后的支撐結構可實現減重約60%。優化支撐結構后打印的構件不再發生應力開裂，證明了該方法的有效性。蔣聰等[60]將激光增材制造應用于制備微型導向器，通過增加零件余量設計、改進零件變形支撐設計和磨粒流精度控制等方法，解決了目前準確控制變形、減少或去除殘余應力方面的難點。

4.4 輔助外場調控應力變形

對于復雜結構殘余應力的控制，研究人員將其他物理能量場，如超聲波、磁場、激光沖擊波，引入到激光增材制造中，對激光增材制造熔池凝固行為進行輔助干預，改變其微觀組織和應力分布，實現應力變形的調控[30]。任朝暉等[61，62]利用ANSYS軟件對TC4合金激光熔絲過程進行熱-結構耦合數值模擬并施加超聲滾壓微鍛造，研究發現激光熔絲熔覆層應力分布更加均勻，拉應力減小，甚至轉化為壓應力，有效地抑制制件內部缺陷的形成。Zhou等[63]用實驗方法和數值分析方法研究了超聲沖擊處理對激光沉積成形304不銹鋼零件的影響，結果表明，超聲沖擊處理后殘余應力在塑性變形區由拉應力狀態轉變為壓應力狀態，從而顯著提高了增材制造金屬零件的疲勞性能。摩擦攪拌加工有助于降低增材制造AlSi10Mg的殘余應力，在激光選區熔化過程中有助于將殘余拉應力轉化為殘余壓應力[21]。

4.5 后處理調控應力變形

表面后處理分為3大類：機械處理、激光處理和化學處理。機械加工包括磨削、銑削、拋光、滾動軋制、噴砂/珠、噴丸、空化沖擊、超聲納米晶表面改性。拋光包括磁驅動磨料拋光、水動力空化磨料拋光和超聲空化磨料拋光。合適的參數下軋制可以產生晶粒細化，并在處理層中誘發殘余壓應力，改善構件力學性能，并降低其表面粗糙度。一定參數下噴砂/珠可以輕微提高表面硬度，并在亞表層產生相當大的殘余壓應力。在增材制造中應用噴丸進行后處理，可以控制表面粗糙度，細化表層晶粒，產生高殘余壓應力，提高表面硬度，提高疲勞壽命。對增材制造金屬在外表面/終極層上進行一個道次軋制或在沉積過程中每一層都進行軋制(稱為道次間軋制)，可控制鍍層的微觀組織。激光噴丸是一種具有高應變率的機械表面處理方法，通過對工件進行沖擊使工件表面硬化，并產生壓縮殘余應力，從而改善材料的力學性能。Sun等[58]研究發現，激光噴丸使電弧增材制造的2319鋁合金的殘余應力狀態由拉伸狀態變為壓縮狀態。激光沖擊強化是一種新型表面強化與改性技術，產生的殘余壓應力普遍高于噴丸產生的，表面和深部均能夠較好呈現。Kalentics等[64]提出將激光選區熔化和激光沖擊強化這2個過程結合起來，對316奧氏體不銹鋼采用激光選區熔化進行沉積制造，并用此方法改善殘余應力，發現兩者結合的方法與傳統的激光沖擊強化方法相比較，具有更小光斑尺寸和脈沖能量，獲得了更大和更深的壓應力，增加激光沖擊強化處理之間的激光選區熔化層數量可以增加壓應力深度。

H?nnige等[65]研究了垂直跨間軋制和沉積后側軋制對電弧增材制造2319鋁壁的影響，結果表明：與Ti-6Al-4V和軟鋼壁材不同的是，垂直跨間軋制改善了鋁合金的殘余應力，消除了變形；沉積后側軋制對控制電弧增材制造鋁合金零件的殘余應力和變形非常有效，并通過加工硬化提高了硬度。將金屬增材制造與傳統制造工藝進行結合，形成一種“表面軋制”，通過堅硬和高度拋光的滾輪，使焊道表面發生塑性變形，以改善表面光潔度，并引起壓應力，抵消焊接加熱-冷卻循環產生的殘余應力；在電弧增材制造的連續層上使用噴丸處理，在噴丸過程中，每個沉積層的表面被小硬球反復沖擊，產生塑性變形和壓應力，可以減輕殘余應力并減少變形[66，67]。

車削、磨削、噴丸強化、精加工(磁場輔助精加工、激光精加工)等都會在工件表面及工件表面以下產生殘余壓應力。從這個角度來看，增材和減材聯合制造有望組合各自的殘余應力特性，從而產生殘余應力的平衡效應。Zhang等[68]電弧增材制造Al5Si鋁合金，發現通過銑削產生的壓應力可抵消初始殘余拉應力，降低表面殘余應力，并消除內部最大應力點，使得具有先前初始殘余應力的材料在不同的銑削深度下達到新的平衡。Colegrove等[69]發現軋制工藝對沉積部分的殘余應力和變形的改善有限，因為大部分變形是在沉積方向的側面引起的。通過采用開槽輥或側軋這種防止橫向變形的軋制方法，可以實現更大的殘余應力降低。

4.6 熱處理調控應力變形

常用的熱處理后處理技術主要有整體/局部退火熱處理。熱處理對增材制造金屬構件來說，是一種均勻微觀組織、消除各向異性、釋放不良拉伸殘余應力的標準方法[70]。

熱處理有助于降低激光選區熔化零件的殘余應力，例如熱等靜壓可以在一定程度上降低孔隙率和殘余應力，從而提高強度和抗疲勞性能。Pidge等[32]的研究表明，對增材制造構件進行后退火可以使殘余應力降低70%。Chi等[71]采用高溫熱處理和激光沖擊強化相結合的后處理方法，使得表層產生了嚴重的塑性變形和高強度的表面壓縮殘余應力(～-763 MPa)。O’Brien等[72]利用有限元技術對增材制造工藝鏈進行了模擬，結果表明采用熱處理可使增材制造引起的高拉伸殘余應力降低約75%。

5 結 語

增材制造技術在當前的先進制造領域中發展勢頭強勁。增材制造部件在制備時的受熱和冷卻過程中會產生復雜的殘余應力，檢測殘余應力以及如何調控殘余應力至關重要。目前對殘余應力的產生機制的解釋主要是溫度梯度機制，最常用的殘余應力破壞性檢測方法是輪廓法和鉆孔法，而無損檢測的方法是X射線衍射法。針對不均勻的溫度梯度造成的殘余應力，預熱緩冷及重熔可以很好地調控應力變形。借助輔助外場調控也是一個熱門的研究方向，或施加超聲滾壓微鍛造或振動，或將激光調幅精細織構和電弧增材制造高沉積速率等結合。熱處理、表面處理等后處理技術也是控制殘余應力的常用手段。因此，未來金屬增材制造技術的發展和殘余應力控制及研究，可以從以下3個方面展開研究：

(1)增材制造件殘余應力標準的建立和完善。目前尚未形成金屬增材制造構件檢測標準體系，且大部分不能實現在線監測，這將嚴重制約增材制造構件的廣泛應用。建立增材制造金屬構件的性能評價體系以及應用評估準則，實現金屬材料增材制造的標準化和制度化將是未來重點發展方向之一。

(2)多尺度的殘余應力研究。目前殘余應力的研究大都基于溫度梯度機制，多尺度多場耦合將是未來研究的熱點。

(3)借助材料基因組技術發展。建立材料成分、工藝、組織、性能和構件結構形狀之間的模型，是實現對增材制造構件殘余應力、尺寸精度和力學性能的控制的重要途徑。