【科普系列】金属材料激光增材制造应力变形
激光增材制造技术利用计算机将零件三维CAD模型进行分层切片，以高能量密度激光束为热源将材料熔化凝固，逐层堆积形成实体零件。激光增材制造技术可以实现多种材料、复杂结构零件的致密成形，综合力学性能优于铸造件，可以显著缩短制造周期，适用于新产品的开发、复杂零件的定制生产。激光增材制造技术主要包括同轴送粉式激光金属沉积技术和铺粉式选区激光熔化技术。
图1 同轴送粉式激光金属沉积技术和铺粉式选区激光熔化技术 （图片来源于网页）
目前，激光增材制造技术已实现铁基合金、钛合金、铝合金、镍基高温合金、钴基合金、铜合金、钨、金等金属材料的加工。随着激光制造装备技术的快速发展，激光增材制造技术已广泛应用于航空航天、医疗器械、汽车制造和模具制造等领域。
图2 激光增材制造技术的应用 （图片来源于网页）
金属激光增材制造过程由于材料经历快速加热和冷却，容易产生复杂的应力。残余应力较大时将影响零件尺寸和拉伸、疲劳性能，严重的将导致零件产生变形和开裂。目前激光增材制造过程中的应力变形控制主要依靠经验、可重复性差，特别是高端装备领域对大型复杂构件的高精度、高质量成形具有迫切的需求。因此，残余应力导致零件变形开裂的“控形”问题是激光增材制造过程中亟待解决的问题。
图3 激光增材制造结构变形、开裂缺陷
BRANNER M G. Investigations on residual stresses and deformations in selective laser melting [J]. Production Engineering, 2009, 1(4):35-45.
高性能金属构件激光增材制造应力变形的研究
金属激光增材制造过程残余应力变形的形成、演变过程机理的相关基础理论研究已逐渐完善，为了实现激光增材过程中应力变形的调控，目前的研究主要集中在激光增材应力变形仿真预测分析，基于此为后续的应力变形调控提供指导。有限元模拟计算对激光增材制造过程的应力计算有巨大的优势，但是当零件的尺寸较大时，有限元计算面临计算量过大而无法满足实际需要的情况。为了显著提高有限元模拟的计算效率和准确性，针对大型复杂结构激光增材过程应力变形主要采用自适应网格、固有应变法、多尺度仿真分析等方法对其进行研究。
图4 激光增材制造过程多尺度仿真计算
PANWISAWAS C, QIU C, ANDERSON M J, et al. Mesoscale modelling of selective laser melting: Thermal fluid dynamics and microstructural evolution [J]. Computational Materials Science, 2017, 126:479-490.
LI C, LIU J, FANG X Y, et al. Efficient predictive model of part distortion and residual stress in selective laser melting[J]. Additive Manufacturing, 2017, 17:157-168.
高性能金属构件激光增材制造应力变形检测技术
残余应力及变形控制一直是困扰大型结构件激光增材制造成形的一大问题，残余应力和变形的测量技术对应力演变、变形开裂行为的分析有着非常重要的意义。目前，残余应力测量方法主要的有损方法有：分割全释放法，逐层切削法、电化学腐蚀剥层法，钻孔法及基于钻孔法的云纹干涉法和全息干涉法等；无损测试方法有：X射线衍射法、磁性法、超声法、中子衍射法等方法，各种方法的特点及应用范围。变形量的测试方法主要有：位移传感测量、曲率法、全息成像技术、三维光学动态应变测量、全场应变测量系统等方法。
以上残余应力变形测试方法各有优缺点，应根据实际情况选择一种或多种测试方法进行测量研究。由于激光增材制造的残余应力、变形是一个逐渐累积、重分布的过程，对其过程的实时监测进而实现工艺参数反馈控制将是未来研究的主要方向。同时，必须针对金属增材制造成形件的特殊性开展相应检测方法及规范标准的研究。
高性能金属构件激光增材制造应力变形调控技术
激光增材制造过程中由于温度梯度较大且凝固行为复杂，较大的热应力是引起成形结构变形、开裂的主要原因，其次复杂的材料成分、凝固过程、材料组织形态、力学性能等均对应力开裂行为有较大的影响，因此为了解决激光增材过程中温度梯度大、材料易开裂等问题，研究人员已开发多种方法用于控制激光增材成形件的应力变形问题。
粉体材料设计调控应力变形
金属激光增材制造过程中的应力变形行为与材料的凝固过程、塑性变形能力、相变行为等相关，通过优化设计材料的组分，可以从根本上改变材料的凝固温度点、相变温度点，进而改变激光增材金属凝固过程热应力和相变应力的形成；此外新材料的设计开发可以改变材料的导热系数、热膨胀系数，通过改变传热行为影响温度梯度分布及膨胀收缩行为实现热应力的调控。
工艺参数调控应力变形
激光增材制造过程是一个周期性、非稳态、短时非平衡循环过程，激光功率、扫描速率、粉层厚度、层间温度、扫描策略等参数通过影响成形件的温度历程，影响成形件应力变形的演化。激光增材制造过程通过优化工艺参数可以实现应力累积过程的控制，减小变形开裂倾向。
预热缓冷及重熔调控应力变形
激光增材制造过程中热应力主要是由于不均匀的温度梯度分布和快速冷却凝固造成的，因此为了解决温度梯度较大的问题，研究人员提出了基板预热、成形仓体气氛预热、多光束、耦合光束、光束重复扫描等多种方法。激光增材制造过程通过控制成形过程的温度梯度，可实现残余应力变形的调控。
图5 激光增材制造典型预热方法
LIU Q, YOANN D, SONG B, et al. Effect of high-temperature preheating on the selective laser melting of yttria-stabilized zirconia ceramic[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 222:61-74.
LIU Z, SONG K, GAO B, et al. Microstructure and mechanical properties of Al2O3/ZrO2 directionally solidified eutectic ceramic prepared by laser 3D printing[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2016, 32:320-325.
结构设计调控应力变形
激光增材成形过程中，由于成形基板、支撑结构、结构自身的约束作用，同时由于成形结构、支撑结构对成形过程中导热的影响，对成形实体会产生机械拘束应力并会影响整体残余应力的分布。结构优化设计主要包括结构拓扑优化改变材料分布使结构过渡均匀、支撑结构优化减小应力变形，通过结构设计来减小或改善残余应力的分布是一种新的应力调控思路。
图6 激光增材制造支撑结构设计及结构优化
CALIGNANO F. Design optimization of supports for overhanging structures in aluminum and titanium alloys by selective laser melting[J]. Materials and Design, 2014, 64:203-213.
辅助外场调控应力变形
激光增材制造过程中通过控制工艺参数、扫描策略等方式只能在一定程度上改善残余应力的分布、减小残余应力，但是由于激光增材多层堆积过程应力的累积，特别是复杂大结构应力分布复杂、应力累积较大，因结构尺寸效应极易造成成形结构的变形开裂。为了进一步控制残余应力变形，研究人员把其他物理能量场，如超声波、磁场、激光冲击波引入到激光增材制造过程中，对激光增材熔池凝固行为进行辅助干预，改变其微观组织和应力分布，实现激光增材制造应力变形的调控。
图7 超声辅助激光增材制造系统示意图
钦兰云, 王维, 杨光. 超声辅助钛合金激光沉积成形试验研究[J]. 中国激光, 2013, 40(1):76-81.
ZHANG M, LIU C, SHI X, et al. Residual stress, defects and grain morphology of Ti-6Al-4V alloy produced by ultrasonic impact treatment assisted selective laser melting[J]. Applied Sciences, 2016, 6(11):304 1-7.
后处理调控应力变形
激光增材成形结束后内部仍存在大量的残余应力，在支撑、基板去除后成形结构会产生变形甚至开裂。为使增材结构件满足后期尺寸及使用性能要求，需要对其进行后处理减小残余应力、提高力学性能，常用的后处理技术主要有整体/局部退火热处理。后热处理工艺是目前减小激光增材结构整体残余应力最有效的措施。
激光增材制造应力变形调控的几点思考
随着激光增材制造技术广泛应用于大型复杂结构的制造，残余应力引起的变形开裂问题将限制其广泛应用，因此，开展激光增材制造残余应力变形调控技术的研究有着非常重要的意义。今后激光增材制造应力变形调控的研究可集中在以下方面：
（1）针对高性能金属材料进一步深化研究激光增材过程热-凝固-应力变形演化行为及耦合机制，建立激光增材成形结构的开裂判据，并提出相应的应力调控方法及预防变形开裂的工艺准则。
（2）结合结构件服役需求，基于材料基因组技术设计开发新型的低热膨胀系数、高强韧的金属材料、金属基复合材料、梯度材料等；同时充分发挥激光增材可成形复杂结构的优势，在结构设计过程中考虑结构因素对增材制造过程应力变形及使用性能的影响。
（3）开发新型的多激光耦合技术、激光阵列成形技术、激光复合增材制造技术，在金属结构件成形过程中控制残余应力的叠加累积；同时结合过程监测控制技术实现过程应力变形检测，建立相应的调控策略，实现激光增材制造过程应力变形的实时调控。
（4）进一步完善激光增材制造残余应力变形的检测技术，提高残余应力测试精度和三维残余应力检测能力；开发激光增材制造多物理场、多尺度数值模拟技术，提高激光增材应力变形的准确性及计算效率，并应用于结构设计、材料设计、工艺预测、组织性能预测等激光增材“全链条”制造过程。
原文出处：
陈勇, 陈辉, 姜亦帅, 汪倩, 吴影, 熊俊, 董世运
《材料工程》2019, 47 (11): 1-10.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001430