選擇性激光熔化制造金屬構(gòu)件殘余應(yīng)力的研究進(jìn)展

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(上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，高溫合金精密成型研究中心，上海 201620)

0 引 言

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)是指基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型，采用逐層疊加方式制造具有復(fù)雜幾何形狀零部件的一種近凈成形工藝[1]。增材制造技術(shù)打破了傳統(tǒng)工藝的設(shè)計(jì)約束條件，提高了工藝的幾何自由度以及材料的利用率，實(shí)現(xiàn)了零部件的個(gè)性化定制，大大降低了生產(chǎn)成本[2-3]。選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)是一種典型的增材制造工藝，該工藝通過(guò)高能量激光束選擇性熔化及熔合金屬粉末層來(lái)制造高密度的零部件[4-5]，所得金屬零部件具有較低的孔隙率和良好的力學(xué)性能[6-7]。

然而，由于SLM工藝以高能激光束為熱源對(duì)粉末層進(jìn)行掃描，這種局部熱輸入造成了不均勻的溫度場(chǎng)，引起了局部熱效應(yīng)，使得熔池在凝固和冷卻過(guò)程中極易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此SLM制造構(gòu)件的內(nèi)部會(huì)存在極高的殘余應(yīng)力[8-10]。殘余應(yīng)力的存在不僅會(huì)影響構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性，還會(huì)降低構(gòu)件的屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致構(gòu)件的脆性破壞[11-13]。通過(guò)迅速移除激光束產(chǎn)生的熱量可減小殘余應(yīng)力，這就要求金屬粉末材料具有足夠高的導(dǎo)熱性，但高導(dǎo)熱性又會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件性能的下降[14]。因此，如何減小并消除激光增材制造構(gòu)件中的殘余應(yīng)力而不降低其性能，一直是國(guó)內(nèi)外激光加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者先簡(jiǎn)單介紹了在SLM制造過(guò)程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制和檢測(cè)方法，隨后綜述了SLM工藝參數(shù)對(duì)構(gòu)件中殘余應(yīng)力的影響以及降低或消除殘余應(yīng)力的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

1 SLM制造過(guò)程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制

殘余應(yīng)力是指在無(wú)外力或外力矩作用下材料自身保持平衡的彈性應(yīng)力，是零部件表面完整性的重要內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)[15]。在SLM制造過(guò)程中殘余應(yīng)力主要在加熱和冷卻兩階段產(chǎn)生。

在加熱過(guò)程中，高能量激光束中心及其附近部位的金屬粉末以遠(yuǎn)高于周?chē)鷧^(qū)域的升溫速率被急劇加熱并發(fā)生熔化形成熔池，受熱影響的已成形部位發(fā)生膨脹，該熱膨脹變形受到周?chē)募s束，導(dǎo)致彈性熱應(yīng)力的產(chǎn)生；同時(shí)，受熱影響的部位溫度升高，導(dǎo)致該部位的屈服強(qiáng)度降低，某些部位的熱應(yīng)力會(huì)超過(guò)其屈服極限，因此熔池部分會(huì)形成塑性的熱壓縮應(yīng)變。

在冷卻過(guò)程中，熔池凝固時(shí)發(fā)生熱收縮，該熱收縮變形受到周?chē)南拗?，?dǎo)致局部拉應(yīng)力的產(chǎn)生，相應(yīng)地在熔池下部會(huì)形成殘余壓應(yīng)力與之平衡[16-17]。

2 殘余應(yīng)力的測(cè)試方法

殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、組織穩(wěn)定性和實(shí)際使用壽命等會(huì)有一定的影響，多數(shù)情況下為不利影響，因此殘余應(yīng)力的檢測(cè)非常重要[17]。殘余應(yīng)力的測(cè)試技術(shù)發(fā)展至今已有數(shù)十種，常用的測(cè)試方法可以分為有損和無(wú)損兩大類(lèi)。

有損測(cè)試主要為機(jī)械方法，即將存在殘余應(yīng)力的部分從構(gòu)件中分離出來(lái)，使應(yīng)力釋放，通過(guò)測(cè)試應(yīng)變的變化來(lái)計(jì)算得到殘余應(yīng)力，主要包括鉆孔法[18]、分割全釋放法[19]、剝層法[20]等。有損測(cè)試會(huì)對(duì)構(gòu)件造成一定的損傷，但其精度一般較高，且技術(shù)較成熟。無(wú)損測(cè)試主要為物理方法，即利用聲、光、磁、電等在不損害或不影響被測(cè)對(duì)象使用性能的前提下測(cè)試殘余應(yīng)力，主要包括X射線衍射法[21]、同步輻射法[22]、中子衍射法[23]、磁測(cè)法[24]和超聲波法[25-26]等。鉆孔法和X射線衍射法是最常用的殘余應(yīng)力測(cè)試方法。鉆孔法的測(cè)試原理簡(jiǎn)單、成本低、檢測(cè)速率快，但只能用于測(cè)定平面應(yīng)力，而且鉆孔時(shí)易產(chǎn)生加工應(yīng)變，對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成干擾；X射線衍射法檢測(cè)速率快、數(shù)據(jù)可靠性高、應(yīng)用范圍廣，但只能測(cè)試材料表層(幾十微米內(nèi))的殘余應(yīng)力，不能很好地反映成形構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。超聲波法所用超聲波的方向性好、穿透能力強(qiáng)，可以測(cè)試構(gòu)件表面以及內(nèi)部的殘余應(yīng)力，但精度較低，受材料各向異性、環(huán)境溫度、探頭與構(gòu)件之間聲耦合效應(yīng)的影響較大；中子衍射法可以測(cè)得構(gòu)件內(nèi)部深度達(dá)厘米級(jí)范圍內(nèi)的應(yīng)力分布，且精度較高，但是運(yùn)行成本極高。

不同殘余應(yīng)力測(cè)試方法的適用范圍差異較大，其測(cè)試深度有原子級(jí)、微米級(jí)、毫米級(jí)和米級(jí)，需要根據(jù)實(shí)際技術(shù)要求進(jìn)行選擇。

3 影響殘余應(yīng)力的SLM工藝參數(shù)

SLM制造過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的冶金過(guò)程，因此影響所制造構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的因素有很多，包括工藝參數(shù)、粉末狀態(tài)、基板狀態(tài)、成形路徑、成形尺寸等[17]。冷卻速率和溫度梯度均隨工藝參數(shù)的變化而變化，工藝參數(shù)選擇不當(dāng)可能會(huì)使成形構(gòu)件中產(chǎn)生過(guò)高的熱應(yīng)力集中，導(dǎo)致性能下降，因此，SLM工藝參數(shù)的優(yōu)化有利于減小成形構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力[27-31]。

SLM工藝參數(shù)較多，包括進(jìn)程前參數(shù)、進(jìn)程中參數(shù)和進(jìn)程后參數(shù)，每種參數(shù)的變化都可能影響最終構(gòu)件的性能。進(jìn)程中參數(shù)可以用體積能量密度來(lái)統(tǒng)一體現(xiàn)，體積能量密度即單位體積內(nèi)材料的平均施加能量，其計(jì)算公式為

(1)

式中：EV為體積能量密度；P為激光功率；v為掃描速度；h為掃描間距；t為金屬粉層厚度。

適當(dāng)?shù)卦龃蠹す怏w積能量密度可以有效地提高成形構(gòu)件的表面質(zhì)量和相對(duì)密度。體積能量密度主要由激光功率、掃描速度、掃描間距、粉層厚度等參數(shù)決定，這些參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響分析如下。

3.1 激光功率

激光功率反映了激光能量的大小，激光功率增大，則熔池的尺寸增大、最高溫度升高[32-35]。LI等[36]對(duì)AlSi10Mg合金進(jìn)行了SLM成形研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率從150 W增至300 W時(shí)，熔池尺寸增大，最高溫度從937 ℃升高至1 817 ℃，溫度梯度增大且越接近熔池則表面溫度梯度增大得越顯著，殘余應(yīng)力也隨之增大。FU等[37]對(duì)在SLM制造Ti-6Al-4V合金構(gòu)件過(guò)程中的三維溫度變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率的增大，熔池的寬度、長(zhǎng)度以及深度幾乎都呈線性增加，溫度梯度急劇增大，構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力也隨之增大。在不同激光功率下316L不銹鋼熔覆層的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，且隨激光功率的增大而增大[38]。

在SLM制造鋁合金、鈦合金和不銹鋼等構(gòu)件的過(guò)程中，隨著激光功率的增大，熔池尺寸增大，激光束照射區(qū)域以及基材熱影響區(qū)的熱量增加，溫度梯度增大，冷卻時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也隨之增大。因此，須根據(jù)材料的性能選擇合適的激光功率，從而有效減小殘余應(yīng)力。

3.2 掃描速度

掃描速度是指單位時(shí)間內(nèi)激光束移動(dòng)的距離。與激光功率的影響相反，熔池的最高溫度隨掃描速度的增大而降低。在SLM制造AlSi10Mg合金構(gòu)件的過(guò)程中，當(dāng)掃描速度從100 mm·s-1增至400 mm·s-1時(shí)，熔池的冷卻速率增大，尺寸減小，最高溫度從1 483 ℃降至1 059 ℃，溫度梯度從14.9 ℃·μm-1降低至13.5 ℃·μm-1，殘余應(yīng)力減小[36]。6061鋁合金具有與AlSi10Mg合金相同的規(guī)律，即隨著掃描速度的增大，熔池尺寸、溫度、溫度梯度和殘余應(yīng)力都降低[35]。龔丞等[38]、MANVATKAR等[39]和HUSSEIN等[40]在研究不銹鋼的SLM成形過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描速度增大時(shí)，熔池尺寸、溫度和殘余應(yīng)力都降低。

以上研究結(jié)果表明，適當(dāng)提高掃描速度可以降低SLM制造構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力。在SLM制造過(guò)程中，隨掃描速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)單位面積激光照射區(qū)域的熱量減少，熔池尺寸減小，在快速加熱和快速冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的溫差降低，從而使殘余應(yīng)力降低。

3.3 掃描間距和粉層厚度

POHL等[41]研究了掃描間距對(duì)SLM制造Inconel 718高溫合金構(gòu)件殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描間距從100 μm增加到300 μm時(shí)，殘余應(yīng)力下降，由殘余應(yīng)力引起的撓曲變形也減小。NADAMMAL等[42]對(duì)SLM制造Inconel 718高溫合金構(gòu)件的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著掃描間距的增大，在構(gòu)件頂層中線和邊界線處的殘余應(yīng)力均下降。在SLM制造過(guò)程中，當(dāng)掃描間距增大時(shí)，單位面積得到的激光能量減小，溫度梯度降低，因此殘余應(yīng)力減小。

在SLM制造過(guò)程中，相同條件激光掃描下，隨著粉層厚度的增大，單位面積上的粉末增多，熔池溫度降低，從而使得冷卻速率下降、殘余應(yīng)力降低。VAN BELLE等[43]在研究SLM制造馬氏體時(shí)效鋼構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉層厚度從20 μm增加到40 μm時(shí)，成形構(gòu)件中的殘余應(yīng)力從700 MPa降低到200 MPa。此外，在SLM制造過(guò)程中，在兩層之間的掃描停頓時(shí)間對(duì)構(gòu)件的殘余應(yīng)力也有影響，停頓時(shí)間越短，即冷卻時(shí)間越短，構(gòu)件的殘余應(yīng)力越小，且分布越均勻。

3.4 掃描策略

SLM工藝常用的掃描策略有之字形連續(xù)掃描、島嶼掃描、分形掃描和螺旋掃描等4種[44]。之字形連續(xù)掃描是最傳統(tǒng)的一種掃描策略。島嶼掃描策略將粉層劃分成一個(gè)個(gè)更小的方塊區(qū)域，如同一個(gè)個(gè)小島嶼，這些區(qū)域被單獨(dú)并隨機(jī)地掃描以實(shí)現(xiàn)更均勻的熱量分布；在掃描過(guò)程中，每個(gè)島嶼可以被視為能夠獨(dú)立選擇掃描策略的區(qū)域，通常相鄰島嶼的掃描方向相互垂直，從而使每個(gè)粉層具有沿多個(gè)方向掃描的軌道，使得在一個(gè)方向上不存在主應(yīng)力，從而減小SLM制造構(gòu)件內(nèi)部的各向異性；采用在每?jī)蓪又g旋轉(zhuǎn)(通常為90°)的掃描方案也可以產(chǎn)生類(lèi)似的效果。分形掃描策略應(yīng)用數(shù)學(xué)里的分形幾何學(xué)進(jìn)行掃描路徑設(shè)置，這種掃描路徑具有無(wú)限嵌套層次的精細(xì)結(jié)構(gòu)，具有遞歸性，易于進(jìn)行計(jì)算機(jī)迭代。螺旋掃描策略是指從粉層的外部開(kāi)始一圈圈向中心掃描，或從中心開(kāi)始一圈圈向外掃描的掃描策略。ZAEH等[45]研究了單向連續(xù)掃描策略、雙向交叉掃描策略(之字形連續(xù)掃描策略)以及島嶼掃描策略對(duì)SLM成形懸臂構(gòu)件的懸臂位置或是中心位置殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)采用單向連續(xù)掃描策略成形構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力最大，而采用島嶼掃描策略成形的最小。KRUTH等[46]也得到了相似的研究結(jié)果。PARRY等[47]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描面積從1 mm2增加到3 mm2時(shí)，最大應(yīng)力從189.3 MPa增加到305.2 MPa。GIBSON等[2]也報(bào)道了類(lèi)似的結(jié)果，即增加掃描矢量長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大。與使用較長(zhǎng)掃描矢量的連續(xù)掃描策略相比，采用島嶼掃描策略成形的構(gòu)件表現(xiàn)出較低的殘余應(yīng)力。

除了島嶼掃描策略之外，分形掃描和螺旋掃描策略也已逐步成為傳統(tǒng)連續(xù)掃描策略的替代方案。CATCHPOLE-SMITH等[48]提出了一種基于Hilbert和Peano-Gosper曲線的新型分形掃描方法，發(fā)現(xiàn)與采用傳統(tǒng)島嶼掃描策略成形的構(gòu)件相比，采用分形掃描策略成形構(gòu)件的相對(duì)密度更高，殘余應(yīng)力分布更均勻。與傳統(tǒng)的連續(xù)掃描策略相比，螺旋掃描策略可以減小掃描矢量的長(zhǎng)度并改變每層內(nèi)的矢量方向，但兩種掃描策略成形構(gòu)件的殘余應(yīng)力大小并沒(méi)有明顯差異[49]。在成形復(fù)雜形狀構(gòu)件時(shí)，螺旋掃描策略比連續(xù)掃描策略更優(yōu)越；螺旋掃描策略更適用于處理曲率變化很大或每層不規(guī)則和不一致的復(fù)雜模型[50]。

3.5 粉末床預(yù)熱工藝

在SLM制造過(guò)程中對(duì)粉末床進(jìn)行預(yù)熱可以降低殘余應(yīng)力，這是由于溫度梯度的大幅度降低而導(dǎo)致的。VORA等[51]通過(guò)預(yù)熱粉末床成功地降低了SLM制造AlSi12合金構(gòu)件中的殘余應(yīng)力。ALI等[52]通過(guò)預(yù)熱粉末床使Ti6Al4V合金構(gòu)件中的殘余應(yīng)力降低了88.3%，在一定溫度以下，粉末床預(yù)熱溫度與殘余應(yīng)力呈反比，但高于某一溫度后，殘余應(yīng)力變化不明顯。劉延輝等[53]研究認(rèn)為：在激光增材制造TC4鈦合金構(gòu)件中存在較大殘余應(yīng)力的原因在于基板預(yù)熱溫度不夠、散熱速率快；在制造初始階段，較低的預(yù)熱溫度使已成形層的殘余應(yīng)力增大，較大的殘余應(yīng)力與已成形層中存在的熔道不連續(xù)、飛濺、咬邊等缺陷共同作用，導(dǎo)致構(gòu)件根部裂紋的形成。ABE等[54]在SLM設(shè)備中配置了兩臺(tái)激光器來(lái)制造硬質(zhì)合金工具，其中的一臺(tái)激光器用于加熱粉末床以降低殘余應(yīng)力。OSAKADA等[55]也在設(shè)備中額外配置了低功率激光器，當(dāng)每層掃描完成后，再用低功率激光掃描對(duì)成形層進(jìn)行再次加熱，能使殘余應(yīng)力降低約55%。

目前，粉末床預(yù)熱工藝被認(rèn)為是在SLM制造過(guò)程中調(diào)節(jié)和控制殘余應(yīng)力的最有效方法之一，島嶼掃描策略則是能最有效地控制殘余應(yīng)力的掃描策略。

4 殘余應(yīng)力的降低或消除

降低或消除在SLM制造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的方法主要包括采用合理的掃描策略、預(yù)熱粉末床和進(jìn)行去應(yīng)力退火等，其中掃描策略和預(yù)熱粉末床在上文中已進(jìn)行了討論。去應(yīng)力退火是指將金屬在低于再結(jié)晶溫度下進(jìn)行加熱，以去除內(nèi)應(yīng)力，但仍保留冷卻硬化效果的一種熱處理，也稱(chēng)為低溫退火。進(jìn)行去應(yīng)力退火時(shí)，成形構(gòu)件在一定溫度下通過(guò)內(nèi)部局部塑性變形(當(dāng)應(yīng)力超過(guò)該溫度下材料的屈服強(qiáng)度時(shí))或局部弛豫過(guò)程(當(dāng)應(yīng)力小于該溫度下材料的屈服強(qiáng)度時(shí))使殘余應(yīng)力松弛而達(dá)到消除的目的。去應(yīng)力退火并不能完全消除構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，要使殘余應(yīng)力徹底消除，須將構(gòu)件加熱至更高溫度，但這會(huì)引起顯微組織變化。因此，去應(yīng)力退火工藝需要根據(jù)材料性能和構(gòu)件形狀選擇合適的加熱溫度和保溫時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

SLM制造過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)、極冷極熱的瞬態(tài)過(guò)程，局部熱輸入必然會(huì)導(dǎo)致不均勻的溫度場(chǎng)，使成形構(gòu)件內(nèi)部存留較大的殘余應(yīng)力；而殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的性能有不良影響。優(yōu)化SLM工藝參數(shù)可以調(diào)控構(gòu)件中殘余應(yīng)力的大小。其中，提高粉末床預(yù)熱溫度能有效地降低殘余應(yīng)力，而減小掃描矢量長(zhǎng)度、增大粉層厚度、減小激光功率、提高掃描速度和增大掃描間距等也均可在一定程度上減小殘余應(yīng)力。島嶼掃描策略被認(rèn)為是目前能最有效地控制殘余應(yīng)力的掃描策略。在SLM制造過(guò)程中，要綜合考慮各種工藝參數(shù)的影響，從而保證構(gòu)件的質(zhì)量。然而目前，SLM工藝參數(shù)以及各參數(shù)之間的相互作用對(duì)SLM制造構(gòu)件性能的影響研究還不夠全面。系統(tǒng)而完善的增材制造數(shù)據(jù)庫(kù)的建立需要科技工作者的共同努力。

隨著增材制造標(biāo)準(zhǔn)的制訂、材料基因組工程的完善，通過(guò)建立材料成分、工藝、組織、性能和結(jié)構(gòu)形狀之間的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SLM制造構(gòu)件殘余應(yīng)力、尺寸精度和力學(xué)性能的控制將成為可能。