高性能金屬材料激光增材制造應(yīng)力變形調(diào)控研究現(xiàn)狀

陳 勇，陳 輝，姜亦帥，汪 倩，吳 影，熊 俊，董世運(yùn)

(1 西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2 陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

激光增材制造技術(shù)作為一種新興的制造技術(shù)已改變現(xiàn)有工業(yè)零部件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造方式。激光增材制造技術(shù)利用計(jì)算機(jī)將零件三維CAD模型進(jìn)行分層切片，以高能量密度激光束為熱源將材料熔化凝固，逐層堆積形成實(shí)體零件。激光增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的致密成形，綜合力學(xué)性能優(yōu)于鑄造件，可以顯著縮短制造周期，適用于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、復(fù)雜零件的定制生產(chǎn)。激光增材制造技術(shù)主要包括同軸送粉式激光金屬沉積(laser melting deposition, LMD)技術(shù)[1]和鋪粉式選區(qū)激光熔化(selective laser melting, SLM)技術(shù)[2]。目前，激光增材制造技術(shù)已實(shí)現(xiàn)鐵基合金、鈦合金、鋁合金、鎳基高溫合金、鈷基合金、銅合金、鎢、金等金屬材料的加工[3-5]。隨著激光制造裝備技術(shù)的快速發(fā)展，激光增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、汽車(chē)制造和模具制造等領(lǐng)域。

在金屬激光增材制造過(guò)程中材料快速熔化凝固形成均勻致密的零件，材料將經(jīng)歷非平衡凝固、多層多道循環(huán)加熱及冷卻、固態(tài)相變過(guò)程，在非均勻溫度梯度和約束作用下，零件內(nèi)部將形成較大的熱應(yīng)力。同時(shí)，由于固定基板的約束和復(fù)雜零件成形過(guò)程中的支撐約束，變形受到限制而產(chǎn)生機(jī)械拘束應(yīng)力。針對(duì)高性能合金材料，特別是高性能合金鋼，因其合金成分多樣、凝固與固態(tài)相變過(guò)程復(fù)雜，凝固組織存在復(fù)雜的非平衡相和組織轉(zhuǎn)變，容易產(chǎn)生復(fù)雜的組織相變應(yīng)力。殘余應(yīng)力較大時(shí)將影響零件尺寸和拉伸、疲勞性能，嚴(yán)重的將導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形和開(kāi)裂，見(jiàn)圖1[6-7]。

目前激光增材制造過(guò)程中的應(yīng)力變形控制主要依靠經(jīng)驗(yàn)、可重復(fù)性差，特別是高端裝備領(lǐng)域?qū)Υ笮蛷?fù)雜構(gòu)件的高精度、高質(zhì)量成形具有迫切的需求，因此，殘余應(yīng)力導(dǎo)致零件變形開(kāi)裂的“控形”問(wèn)題是激光增材制造過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。本文將針對(duì)高性能金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)應(yīng)力變形的研究現(xiàn)狀、檢測(cè)方法、調(diào)控技術(shù)等方面的最新研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，提出目前存在的主要問(wèn)題和今后的研究思路。

1 高性能金屬構(gòu)件激光增材制造應(yīng)力變形的研究

1.1 激光增材制造過(guò)程應(yīng)力變形的產(chǎn)生

金屬激光增材制造過(guò)程中，應(yīng)力的產(chǎn)生和演變規(guī)律與焊接過(guò)程相似，但由于激光增材多層堆積過(guò)程形狀結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度的差異會(huì)使冷卻過(guò)程不同，熱過(guò)程差異造成應(yīng)力演化、分布更加復(fù)雜。由于激光增材制造是一個(gè)極快速的熔化、凝固過(guò)程，且熔池尺寸較小，溫度、應(yīng)力變化過(guò)程較快，采用常規(guī)的測(cè)試方法無(wú)法對(duì)其過(guò)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的精確測(cè)量。目前，研究者們多采用有限元仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)研究激光增材過(guò)程殘余應(yīng)力和變形的產(chǎn)生、演變規(guī)律。

為了準(zhǔn)確高效地預(yù)測(cè)激光增材過(guò)程的應(yīng)力變形，學(xué)者對(duì)激光增材制造過(guò)程溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的模擬做了很多研究。Wang等[8]采用有限元模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了激光選區(qū)過(guò)程工藝參數(shù)和掃描策略對(duì)應(yīng)力的影響，并對(duì)殘余應(yīng)力的形成機(jī)制進(jìn)行了討論，結(jié)果表明：應(yīng)力的形成主要是由于不均勻的溫度梯度分布和高溫下材料強(qiáng)度降低，引發(fā)塑性變形形成殘余應(yīng)力，多層溫度累積會(huì)減小底層殘余應(yīng)力。Heigel等[9]采用原位溫度、變形實(shí)時(shí)測(cè)量方法，結(jié)合有限元熱-應(yīng)力順序耦合模型，對(duì)TC4鈦合金激光沉積成形制造的熱-應(yīng)力演化過(guò)程進(jìn)行研究，對(duì)比分析了不同層間停留時(shí)間的溫度、應(yīng)力結(jié)果，結(jié)果表明較大的溫度梯度會(huì)形成大的殘余應(yīng)力和塑性變形。

鈦合金、鈷基合金和合金鋼等材料激光增材過(guò)程中，在一定的冷卻速率下組織轉(zhuǎn)變會(huì)發(fā)生固態(tài)相變。固相晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變會(huì)引起體積變化、屈服強(qiáng)度變化和相變塑性，同時(shí)相變過(guò)程釋放的相變潛熱會(huì)對(duì)溫度產(chǎn)生影響，熱過(guò)程-組織轉(zhuǎn)變-力學(xué)性能之間的交互作用都會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響。Fang等[10]研究了馬氏體不銹鋼激光沉積過(guò)程固態(tài)相變各相性能差異、體積改變和相變塑性對(duì)殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：固態(tài)相變過(guò)程對(duì)應(yīng)力的演變有顯著的影響，可以顯著減小縱向殘余拉應(yīng)力。Denlinger等[11]通過(guò)原位溫度、變形測(cè)量和應(yīng)力測(cè)試，結(jié)合有限元模擬結(jié)果對(duì)比分析了激光沉積成形Ti-6Al-4V鈦合金和625鎳基合金固態(tài)相變過(guò)程對(duì)應(yīng)力的松弛作用，結(jié)果表明：由于鎳基合金無(wú)固態(tài)相變轉(zhuǎn)變，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)擬合較好；鈦合金激光增材制造過(guò)程不考慮固態(tài)相變應(yīng)力，模擬結(jié)果誤差較大，考慮固態(tài)相變對(duì)應(yīng)力的松弛作用可以更準(zhǔn)確地模擬殘余應(yīng)力。大量研究結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算中若不考慮固態(tài)相變的影響會(huì)使殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在較大差異，因此為提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性需要闡明材料相變過(guò)程對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律。

激光增材制造過(guò)程中成形零件是在基板上堆積成形，因此基板、支撐結(jié)構(gòu)對(duì)成形體的約束作用會(huì)影響應(yīng)力變形的分布。廖英嵐[12]對(duì)比研究了不同厚度基板對(duì)激光選區(qū)成形應(yīng)力的影響，材料在熔化凝固過(guò)程中，成形層的收縮會(huì)受到基板的約束作用，大厚度的基板對(duì)成形件的約束作用大，在成形層形成的殘余拉應(yīng)力也較大。其次研究了不同支撐結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力的影響，由于不同支撐結(jié)構(gòu)對(duì)成形件的約束作用不同，上層實(shí)體在冷卻收縮過(guò)程受到的限制不同，形成的殘余應(yīng)力也會(huì)有較大的差別。Zeng等[13]從傳熱角度分析了支撐結(jié)構(gòu)對(duì)激光選區(qū)成形過(guò)程溫度場(chǎng)的影響，支撐結(jié)構(gòu)的形狀、各向異性和獨(dú)特的導(dǎo)熱性能會(huì)影響熱傳導(dǎo)行為，通過(guò)優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)可以獲得較均勻的溫度場(chǎng)，有助于減小溫度梯度引起的殘余應(yīng)力和變形。綜上所述，激光增材制造應(yīng)力變形調(diào)控過(guò)程中需要考慮基板拘束和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)此方法可以減小變形量。

1.2 激光增材制造應(yīng)力變形仿真預(yù)測(cè)現(xiàn)狀

金屬激光增材制造過(guò)程殘余應(yīng)力變形的形成、演變過(guò)程機(jī)理的相關(guān)基礎(chǔ)理論研究已逐漸完善，為了實(shí)現(xiàn)激光增材過(guò)程中應(yīng)力變形的調(diào)控，目前的研究主要集中在激光增材應(yīng)力變形仿真預(yù)測(cè)分析，基于此為后續(xù)的應(yīng)力變形調(diào)控提供指導(dǎo)。有限元模擬計(jì)算對(duì)激光增材制造過(guò)程的應(yīng)力計(jì)算有巨大的優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)零件的尺寸較大時(shí)，有限元計(jì)算面臨計(jì)算量過(guò)大而無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需要的情況。為了顯著提高有限元模擬的計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，針對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)激光增材過(guò)程應(yīng)力變形主要采用自適應(yīng)網(wǎng)格、固有應(yīng)變法、多尺度仿真分析等方法對(duì)其進(jìn)行研究。

Denlinger等[11]采用自適應(yīng)網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)激光選區(qū)增材過(guò)程的快速數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)熔池局部區(qū)域細(xì)網(wǎng)格的劃分可顯著減少網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)比可知采用自適應(yīng)動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算速度可以提高432倍，同時(shí)溫度計(jì)算誤差小于5%，采用該方法可以實(shí)現(xiàn)激光增材過(guò)程的快速仿真計(jì)算分析。倪辰旖等[14]為解決激光選區(qū)成形熱彈塑性有限元計(jì)算效率低的問(wèn)題，采用固有應(yīng)變法預(yù)測(cè)零件的變形，通過(guò)對(duì)熱源模型的校準(zhǔn)，建立熱源-局部-結(jié)構(gòu)件遞進(jìn)模型，可以較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變形的預(yù)測(cè)，同時(shí)大幅度提高計(jì)算效率。Afazov等[15]采用結(jié)構(gòu)有限元分析方法預(yù)測(cè)了激光選區(qū)成形大結(jié)構(gòu)部件的變形規(guī)律，并與成形結(jié)構(gòu)3D光學(xué)掃描進(jìn)行變形量對(duì)比，結(jié)果表明：采用該方法可以準(zhǔn)確、快速的預(yù)測(cè)大結(jié)構(gòu)的變形。Li等[16]通過(guò)建立多尺度有限元模型預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力變形，微觀尺度的激光熱源導(dǎo)入到粉層模型中，通過(guò)等效計(jì)算得到宏觀模型的溫度循環(huán)過(guò)程，結(jié)果表明多尺度模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合良好。隨著金屬增材制造需求的增加，已有多款商用有限元分析軟件(Simufact Additive, ANSYS Additive, ABAQUS Additive, Autodesk Netfabb, ESI等)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力變形的仿真分析。MSC公司基于固有應(yīng)變方法開(kāi)發(fā)了金屬3D打印仿真軟件MSC Simufact Additive，該軟件運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式得出固有應(yīng)變值，并逐層施加在成形件上，得到零件的應(yīng)力變形結(jié)果，可以進(jìn)行支撐優(yōu)化，預(yù)測(cè)熱處理、基板支撐去除對(duì)應(yīng)力變形的影響。ANSYS公司開(kāi)發(fā)了ANSYS Additive激光增材制造應(yīng)力變形分析軟件，基于固有應(yīng)變法可以實(shí)現(xiàn)大結(jié)構(gòu)激光選區(qū)成形應(yīng)力變形預(yù)測(cè)、支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、變形補(bǔ)償，減少打印過(guò)程的錯(cuò)誤。

目前激光增材應(yīng)力變形的仿真分析主要是基于熱應(yīng)力和熱應(yīng)變的分析，熔池內(nèi)部復(fù)雜的物理冶金過(guò)程及相變行為對(duì)增材過(guò)程溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)有顯著影響，需要進(jìn)一步考慮微觀冶金過(guò)程的影響，完善現(xiàn)有的仿真技術(shù)。激光增材制造過(guò)程缺陷的形成模擬及其對(duì)成形件變形和開(kāi)裂的影響，也需要在激光增材控形中進(jìn)一步考慮。同時(shí)，大尺寸結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形的仿真效率和準(zhǔn)確度仍需提高，應(yīng)不斷完善多尺度仿真技術(shù)，滿(mǎn)足大結(jié)構(gòu)激光增材結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形的預(yù)測(cè)。

2 高性能金屬構(gòu)件激光增材制造應(yīng)力變形檢測(cè)技術(shù)

殘余應(yīng)力及變形控制一直是困擾大型結(jié)構(gòu)件激光增材制造成形的一大問(wèn)題，殘余應(yīng)力和變形的測(cè)量技術(shù)對(duì)應(yīng)力演變、變形開(kāi)裂行為的分析有著非常重要的意義。目前，測(cè)量殘余應(yīng)力主要的有損方法(DT)為：分割全釋放法，逐層切削法、電化學(xué)腐蝕剝層法，鉆孔法及基于鉆孔法的云紋干涉法和全息干涉法等；無(wú)損測(cè)試方法(NDT)有：X射線(xiàn)衍射法、磁性法、超聲法、中子衍射法等，各種方法的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍如表1所示[17-23]。變形量的測(cè)試方法主要有：位移傳感測(cè)量、曲率法、全息成像技術(shù)、三維光學(xué)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量、全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)(DIC)等方法。

Denlinger等[11]為對(duì)比研究激光沉積成形鈦合金、鎳基合金過(guò)程層間保溫時(shí)間對(duì)應(yīng)力變形的影響規(guī)律，采用激光位移傳感器測(cè)量了激光沉積成形過(guò)程中的變形情況，采用鉆孔法測(cè)試了最終成形件的殘余應(yīng)力值。Salmi等[17]采用鉆孔法研究了熱處理和噴丸處理對(duì)鋁合金激光選區(qū)成形件殘余應(yīng)力的影響。采用有損方法可以對(duì)激光制造成形件殘余應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量分析，但是會(huì)對(duì)激光成形件造成一定程度的破壞，因此此類(lèi)方法適用于實(shí)驗(yàn)室研究中，不適用于激光增材成形件殘余應(yīng)力的實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)。

殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)將為改進(jìn)激光增材制造工藝、減小應(yīng)力后處理措施提供重要支持。X射線(xiàn)法主要用于材料表面二維應(yīng)力的測(cè)量，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，因此可實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)表層應(yīng)力的測(cè)試分析。Liu等[18]用X射線(xiàn)衍射法測(cè)試分析了316L不銹鋼激光選區(qū)成形的殘余應(yīng)力，探討了熱輸入和掃描策略對(duì)橫向縱向殘余應(yīng)力分布的影響。超聲波法是利用超聲波波速與應(yīng)力之間的關(guān)系來(lái)測(cè)量殘余應(yīng)力，具有穿透能力強(qiáng)、無(wú)損、快速等特點(diǎn)。董世運(yùn)等[19]以激光熔覆再制造試樣為研究對(duì)象，采用超聲瑞利波結(jié)合靜載拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了內(nèi)部組織和初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)激光熔覆層應(yīng)力的影響，經(jīng)過(guò)應(yīng)力校準(zhǔn)后超聲應(yīng)力測(cè)試結(jié)果在可接受的范圍。超聲波法存在超聲波易受環(huán)境溫度、組織缺陷(包括織構(gòu)、位錯(cuò)密度、晶粒尺寸等)和微觀缺陷的影響，因此需要對(duì)其進(jìn)行修正處理才能保證測(cè)量精度。中子衍射法由于其穿透能力強(qiáng)，因此可測(cè)定材料內(nèi)部的應(yīng)力獲得三維應(yīng)力分布。An等[20]針對(duì)激光粉床成形625鎳基合金葉片，采用中子衍射技術(shù)測(cè)試葉片的整體應(yīng)力分布，結(jié)果表明成形葉片頂部和底部為拉應(yīng)力，中部為壓應(yīng)力分布。Wang等[21]采用原位中子衍射方法分析了激光增材成形鎳基合金高溫退火過(guò)程的應(yīng)力演變規(guī)律，隨著時(shí)間的增加殘余應(yīng)力逐漸減小，一定時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但是，中子衍射儀成本較高，在一定程度上限制了其使用范圍。此外，隨著測(cè)試儀器技術(shù)的發(fā)展，也有一些新的測(cè)試方法用于殘余應(yīng)力的測(cè)量。納米壓痕應(yīng)力測(cè)定法是借鑒盲孔法的應(yīng)變測(cè)量思想，基于應(yīng)力場(chǎng)干涉理論進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)量。Zhu等[22]采用納米壓痕法測(cè)試了激光熔覆鐵基涂層全厚度的殘余應(yīng)力，結(jié)果顯示隨著深度的增加殘余應(yīng)力逐漸增大。納米壓痕法對(duì)測(cè)試表面平整度有一定的要求，同時(shí)其測(cè)試準(zhǔn)確性受到材料塑性變形能力的影響，因此該技術(shù)仍需要不斷完善理論計(jì)算模型提高測(cè)試準(zhǔn)確度。激光超聲波法利用激光作為激發(fā)源產(chǎn)生剪切波和縱波來(lái)測(cè)量材料的殘余應(yīng)力，具有無(wú)損、可測(cè)任意深度應(yīng)力、空間分辨率高等特點(diǎn)。Zhan等[23]采用激光超聲波法測(cè)試了合金鋼焊縫的殘余應(yīng)力分布，測(cè)試結(jié)果與鉆孔法結(jié)果一致，該方法具有較好的應(yīng)用前景。

激光增材過(guò)程中成形件的變形將影響鋪粉均勻性以及后續(xù)成形的尺寸精度，所以變形量的檢測(cè)和控制也需要特別關(guān)注。Sabine等[24]通過(guò)對(duì)表面形貌進(jìn)行掃描測(cè)量，基于梁形曲率法計(jì)算可以得到表面尺寸偏差，實(shí)現(xiàn)激光選區(qū)成形件變形量的準(zhǔn)確測(cè)量。Peter等[25]采用全息成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了激光熔化不銹鋼表面過(guò)程的實(shí)時(shí)變形檢測(cè)，測(cè)試精度可達(dá)微米級(jí)。Lundb?ck等[26]采用三維動(dòng)態(tài)光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)沉積成形過(guò)程中的變形測(cè)量，通過(guò)反饋控制可實(shí)現(xiàn)成形過(guò)程沉積體積和成形形狀的控制。Biegler等[27]采用全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)(DIC)實(shí)現(xiàn)激光沉積成形過(guò)程變形的原位測(cè)量，結(jié)合數(shù)值模擬可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)變形的預(yù)測(cè)。

以上殘余應(yīng)力變形測(cè)試方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇一種或多種測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)量研究。由于激光增材制造的殘余應(yīng)力、變形是一個(gè)逐漸累積、重分布的過(guò)程，對(duì)其過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)反饋控制將是未來(lái)研究的主要方向。金屬增材制造制件的組織和缺陷特征也與傳統(tǒng)制件不同，主要表現(xiàn)為組織的不均勻性以及明顯的各向異性，加之主要缺陷類(lèi)型及分布特征均與傳統(tǒng)制件差異較大。因此，必須針對(duì)金屬增材制造成形件的特殊性開(kāi)展相應(yīng)的檢測(cè)方法及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的研究。

3 高性能金屬構(gòu)件激光增材制造應(yīng)力變形調(diào)控技術(shù)

激光增材制造過(guò)程中由于溫度梯度較大且凝固行為復(fù)雜，較大的熱應(yīng)力是引起成形結(jié)構(gòu)變形、開(kāi)裂的主要原因，其次復(fù)雜的材料成分、凝固過(guò)程、材料組織形態(tài)、力學(xué)性能等均對(duì)應(yīng)力開(kāi)裂行為有較大的影響，因此為了解決激光增材過(guò)程中溫度梯度大、材料易開(kāi)裂等問(wèn)題，研究人員已開(kāi)發(fā)多種方法用于控制激光增材成形件的應(yīng)力變形問(wèn)題。

3.1 粉體材料設(shè)計(jì)調(diào)控應(yīng)力變形

金屬激光增材制造過(guò)程中的應(yīng)力變形行為與材料的凝固過(guò)程、塑性變形能力、相變行為等相關(guān)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)材料的組分，可以從根本上改變材料的凝固溫度點(diǎn)、相變溫度點(diǎn)，進(jìn)而改變激光增材金屬凝固過(guò)程熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的形成；此外新材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)可以改變材料的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)，通過(guò)改變傳熱行為影響溫度梯度分布及膨脹收縮行為實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力的調(diào)控。

Pratik等[28]研究了低熔點(diǎn)共晶Al-Si合金激光選區(qū)成形過(guò)程的成形特性，采用混合粉末代替預(yù)合金粉末，由于低熔點(diǎn)共晶材料原位合金化過(guò)程溫度較低，通過(guò)控制工藝參數(shù)和基板預(yù)熱溫度可以使熔池金屬保持半固態(tài)狀態(tài)，有利于應(yīng)力的釋放和減小變形，通過(guò)此方法可以獲得低應(yīng)力、無(wú)支撐結(jié)構(gòu)成形。方金祥[29]通過(guò)調(diào)整合金元素配比實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)合金鋼葉輪激光熔覆再制造過(guò)程殘余應(yīng)力的調(diào)控，通過(guò)調(diào)整Mo、Nb、稀土元素含量保證材料的強(qiáng)韌性；同時(shí)降低C含量、提高Ni含量，降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)，相變過(guò)程的相變塑性及相變體積效應(yīng)使拉應(yīng)力得到釋放，達(dá)到降低修復(fù)過(guò)程殘余應(yīng)力的目的。顧冬冬等[30]開(kāi)發(fā)了一種具有奧氏體-馬氏體相變轉(zhuǎn)換的鐵基復(fù)合粉末，以WC陶瓷顆粒為奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變控制劑，WC陶瓷顆粒的溶解及W原子的固溶將降低馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度，通過(guò)改變激光選區(qū)成形的工藝參數(shù)控制冷卻速率，從而促進(jìn)相變誘導(dǎo)過(guò)程，有助于減小應(yīng)力變形，同時(shí)WC增強(qiáng)相抑制裂紋擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄壁鐵基零件的超高精度成形。

目前通過(guò)材料成分設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)力變形調(diào)控的相關(guān)研究仍較少，未來(lái)隨著金屬激光增材制造材料體系的完善和新材料的開(kāi)發(fā)，例如設(shè)計(jì)ZrC-SiC、石墨烯等增強(qiáng)復(fù)合材料，通過(guò)改變其傳熱行為、膨脹收縮行為、相變過(guò)程，減小應(yīng)力與變形的累積，從材料基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)激光增材應(yīng)力變形的調(diào)控。

3.2 工藝參數(shù)調(diào)控應(yīng)力變形

激光增材制造過(guò)程是一個(gè)周期性、非穩(wěn)態(tài)、短時(shí)非平衡循環(huán)過(guò)程，激光功率、掃描速率、粉層厚度、層間溫度、掃描策略等參數(shù)通過(guò)影響成形件的溫度歷程，影響成形件應(yīng)力變形的演化。激光增材制造過(guò)程通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力累積過(guò)程的控制，減小變形開(kāi)裂傾向。

Wang[31]采用有限元模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，研究了激光沉積成形工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合良好。成形件頂層殘余應(yīng)力隨掃描速率增大、激光功率減小、送粉速率增加及預(yù)熱溫度升高各自呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。Mugwagwa等[32]研究了激光選區(qū)成形過(guò)程中激光功率、掃描速率、粉層厚度對(duì)成形件變形的影響規(guī)律，結(jié)果表明：減小粉層厚度可以減小變形量，增大掃描速率，變形量增加，激光功率對(duì)變形量的影響不顯著，因此可以通過(guò)控制粉層厚度和掃描速率實(shí)現(xiàn)應(yīng)力變形的調(diào)控。Denlinger等[11]通過(guò)激光沉積成形過(guò)程原位變形測(cè)試，分析了鎳基合金、鈦合金多層堆積層間停留時(shí)間對(duì)應(yīng)力變形的影響規(guī)律，鈦合金成形過(guò)程中減少停留時(shí)間有助于減小殘余應(yīng)力與變形，相反鎳基合金通過(guò)增加停留時(shí)間有助于減小殘余應(yīng)力與變形。

激光增材制造過(guò)程中成形掃描策略會(huì)影響溫度循環(huán)過(guò)程、溫度梯度分布、應(yīng)力累積，通過(guò)優(yōu)化掃描策略可以改善應(yīng)力分布、減小應(yīng)力集中。楊光等[33]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與有限元仿真相結(jié)合研究了不同激光掃描路徑對(duì)激光沉積成形件應(yīng)力與變形的影響，采用長(zhǎng)邊和短邊掃描時(shí)最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在基體兩端，長(zhǎng)邊掃描成形件變形最大；采用層間交錯(cuò)掃描方式殘余應(yīng)力較低且分布均勻，變形量較小。Cheng等[34]采用三維有限元模型分析了激光選區(qū)成形不同掃描策略成形件的溫度、應(yīng)力和變形分布規(guī)律，結(jié)果表明：由外向內(nèi)掃描成形殘余應(yīng)力最大，45°線(xiàn)性?huà)呙杩梢燥@著減小殘余應(yīng)力與變形，由內(nèi)向外掃描成形的變形最大；由于模型尺寸較小，此模擬計(jì)算結(jié)果僅適用于其設(shè)定的模擬條件。Haider等[35]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析了掃描策略對(duì)應(yīng)力及力學(xué)性能的影響規(guī)律，其中90°交替掃描策略的殘余應(yīng)力最小，分塊掃描策略殘余應(yīng)力較大；采用分塊掃描策略時(shí)，增大區(qū)塊掃描線(xiàn)長(zhǎng)度殘余應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，分塊掃描相鄰區(qū)域改變掃描方向可以減小殘余應(yīng)力，掃描策略的改變對(duì)性能的影響不顯著。

3.3 預(yù)熱緩冷及重熔調(diào)控應(yīng)力變形

激光增材制造過(guò)程中熱應(yīng)力主要是由于不均勻的溫度梯度分布和快速冷卻凝固造成的，因此為了解決溫度梯度較大的問(wèn)題，研究人員提出了采用基板預(yù)熱、成形倉(cāng)體氣氛預(yù)熱、多光束、耦合光束、光束重復(fù)掃描等多種方法，如圖2所示[36-37]。激光增材制造過(guò)程通過(guò)控制激光增材過(guò)程的溫度梯度，可實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力變形的調(diào)控。

卞宏友等[38]采用有限元模擬研究了基板預(yù)熱對(duì)激光沉積修復(fù)高溫合金的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力的影響，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合較好，隨著基板預(yù)熱溫度增加，溫度梯度逐漸減小，熱應(yīng)力顯著減小。Damien等[39]對(duì)比分析了不同基板預(yù)熱溫度對(duì)激光選區(qū)成形鋁合金變形的影響，基板預(yù)熱溫度為150℃時(shí)，成形件變形量顯著減?。活A(yù)熱溫度升高至250℃時(shí)，基本檢測(cè)不到變形量。Hagedorn等在激光選區(qū)成形陶瓷材料過(guò)程中采用輔助激光束局部預(yù)熱粉床，預(yù)熱溫度達(dá)到1600℃以上，可顯著減小溫度梯度防止熱應(yīng)力的形成，最終獲得高致密度、無(wú)裂紋的實(shí)體[40，36]。段宣明等[41]提出了一種新型的雙波長(zhǎng)激光選區(qū)成形方法，通過(guò)將兩個(gè)波長(zhǎng)光斑耦合為同軸共光斑，短波長(zhǎng)光束用于選擇性熔化粉末，長(zhǎng)波長(zhǎng)光束用于預(yù)熱和后續(xù)熱處理，有助于減小溫度梯度，實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的控制。Liu等[37]采用閉環(huán)溫度加熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光增材制造過(guò)程成形倉(cāng)體溫度的整體預(yù)熱，可以實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的無(wú)裂紋成形。Papadakis等[42]基于有限元模擬對(duì)比了激光選區(qū)成形三種預(yù)熱方式(成形倉(cāng)體氣氛預(yù)熱、成形基板預(yù)熱、激光預(yù)掃描預(yù)熱)的能量效率，激光預(yù)掃描預(yù)熱適合于成形小體積實(shí)體，成形倉(cāng)體氣氛預(yù)熱、成形基板預(yù)熱適用于成形大結(jié)構(gòu)實(shí)體。

Furumoto等[43]研究了激光選區(qū)成形過(guò)程中激光前后重熔掃描對(duì)成形件殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：采用激光前預(yù)熱處理可以顯著減小殘余應(yīng)力和變形；采用激光重熔掃描可以顯著減小成形件表面的殘余應(yīng)力與變形，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘余應(yīng)力影響較小。Mercelis等[44]在激光選區(qū)成形過(guò)程中每層采用50%的能量進(jìn)行重復(fù)掃描可以減小30%的殘余應(yīng)力。Shiomi等[45]的研究結(jié)果也表明激光成形過(guò)程中每層采用150%的能量進(jìn)行重復(fù)掃描可以減小55%的殘余應(yīng)力。Haider等[35]研究了鈦合金激光選區(qū)成形過(guò)程激光重復(fù)掃描對(duì)成形件殘余應(yīng)力的影響，采用150%能量密度重復(fù)掃描可以減小殘余應(yīng)力，但會(huì)造成表面氧化和力學(xué)性能劣化。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控應(yīng)力變形

激光增材成形過(guò)程中，由于成形基板、支撐結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)自身的約束作用，同時(shí)由于成形結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)對(duì)成形過(guò)程中導(dǎo)熱的影響，對(duì)成形實(shí)體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械拘束應(yīng)力并會(huì)影響整體殘余應(yīng)力的分布。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化改變材料分布使結(jié)構(gòu)過(guò)渡均勻、支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小應(yīng)力變形，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)減小或改善殘余應(yīng)力的分布是一種新的應(yīng)力調(diào)控思路。

付興領(lǐng)等[46]研究了激光立體成形過(guò)程中基板預(yù)變形處理對(duì)成形件殘余應(yīng)力與變形的影響規(guī)律，結(jié)果表明：激光立體成形過(guò)程中基板預(yù)變形對(duì)成形件的變形量影響最顯著；成形件堆積過(guò)程中上部的殘余應(yīng)力變化規(guī)律為先增大后減?。煌ㄟ^(guò)基板預(yù)變形可以顯著改善成形件的變形，減小殘余應(yīng)力。Mishurova等[47]研究了鎳基合金激光選區(qū)成形支撐結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力變形的影響規(guī)律，結(jié)果表明：與直接實(shí)體成形相比支撐結(jié)構(gòu)可以有效地減小殘余應(yīng)力，但會(huì)在基板切除后引入較大的變形量，因此需要綜合考慮支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)添加。Calignano[48]針對(duì)鋁合金、鈦合金懸臂結(jié)構(gòu)激光選區(qū)成形過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)研究其對(duì)成形件變形的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)：支撐齒高、齒寬、齒間距、齒底寬等參數(shù)，獲得鋁合金、鈦合金不同的支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化后的支撐結(jié)構(gòu)可顯著減小成形件的變形。ANSYS Additive激光增材有限元分析軟件，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)激光成形過(guò)程應(yīng)力變形的預(yù)測(cè)，同時(shí)基于變形結(jié)果進(jìn)行模型變形補(bǔ)償，通過(guò)結(jié)構(gòu)預(yù)先補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)成形件的變形控制，如圖3所示。

3.5 輔助外場(chǎng)調(diào)控應(yīng)力變形

激光增材制造過(guò)程中通過(guò)控制工藝參數(shù)、掃描策略等方式只能在一定程度上改善殘余應(yīng)力的分布、減小殘余應(yīng)力，但是由于激光增材多層堆積過(guò)程應(yīng)力的累積，特別是復(fù)雜大結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布復(fù)雜、應(yīng)力累積較大，因此結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)極易造成成形結(jié)構(gòu)的變形開(kāi)裂。為了進(jìn)一步控制殘余應(yīng)力變形，研究人員把其他物理能量場(chǎng)，如超聲波、磁場(chǎng)、激光沖擊波引入到激光增材制造過(guò)程中[49-55]，對(duì)激光增材熔池凝固行為進(jìn)行輔助干預(yù)，改變其微觀組織和應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)激光增材制造應(yīng)力變形的調(diào)控。

超聲在材料加工中有極大的應(yīng)用潛力，由于超聲具有振動(dòng)、空化作用，能夠在一定程度上改善材料加工過(guò)程的微觀組織、應(yīng)力分布狀態(tài)，因此可以將超聲應(yīng)用于激光增材制造過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力變形的輔助調(diào)控。欽蘭云等[49]將超聲引入到鈦合金激光沉積成形過(guò)程中，超聲振動(dòng)通過(guò)影響組織凝固行為，能夠顯著降低成形件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。王潭等[50]通過(guò)超聲振動(dòng)輔助激光成形鎳基合金，并對(duì)其成形質(zhì)量、殘余應(yīng)力和力學(xué)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明：引入超聲振動(dòng)后有助于激光熔池溫度的均勻分布，降低晶界位錯(cuò)能量使材料處于較穩(wěn)定狀態(tài)，從而使殘余應(yīng)力均勻化、減小殘余應(yīng)力累積。Zhang等[51]研究了超聲沖擊輔助激光選區(qū)成形過(guò)程的殘余應(yīng)力、缺陷、組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，超聲沖擊后成形件內(nèi)部缺陷顯著減少，同時(shí)可以顯著減小殘余應(yīng)力。

電磁攪拌是利用電磁感應(yīng)原理形成電磁力場(chǎng)，電磁力通過(guò)對(duì)熔體進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌作用，從而改變金屬液在凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、流場(chǎng)等，達(dá)到改善材料性能的目的，已在鑄造、焊接和熔覆中得到較多的應(yīng)用。孫杰等[52]采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬相結(jié)合研究了電磁輔助激光沉積成形過(guò)程電磁場(chǎng)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：同步軸向電磁力可以較好地減小成形件的內(nèi)部殘余應(yīng)力。Hitomi等[53]研究了輔助磁場(chǎng)對(duì)激光選區(qū)成形件表面殘余應(yīng)力的影響，通過(guò)處理有助于減小表面粗糙度，同時(shí)表面殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。

激光沖擊表面處理技術(shù)采用高功率密度、短脈沖的激光作用于金屬表面，使金屬氣化形成高溫、高壓等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光能量升溫膨脹，然后爆炸形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面，使材料發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時(shí)大幅度提高材料的力學(xué)性能。目前已有研究人員將激光沖擊技術(shù)與激光增材制造過(guò)程相結(jié)合，改善成形件的應(yīng)力累積和分布。Kalentics等[54]通過(guò)改變脈沖時(shí)間和光斑大小可實(shí)現(xiàn)3D激光沖擊強(qiáng)化，并將其應(yīng)用于激光選區(qū)成形過(guò)程中，可形成較大的殘余壓應(yīng)力。與傳統(tǒng)的激光沖擊技術(shù)相比3D激光沖擊可以形成更大的殘余壓應(yīng)力和壓應(yīng)力層深度，適用于激光增材多層堆積成形過(guò)程應(yīng)力的調(diào)控。Guo等[55]研究了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)激光沉積成形鈦合金成形件殘余應(yīng)力的影響，經(jīng)過(guò)沖擊強(qiáng)化以后，材料表面的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力(200MPa)，且壓應(yīng)力層深度可達(dá)0.7mm，同時(shí)可提高材料的力學(xué)性能。

3.6 后處理調(diào)控應(yīng)力變形

激光增材成形結(jié)束后內(nèi)部仍存在大量的殘余應(yīng)力，在支撐、基板去除后成形結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形甚至開(kāi)裂。為使增材結(jié)構(gòu)件滿(mǎn)足后期尺寸及使用性能要求，需要對(duì)其進(jìn)行后處理減小殘余應(yīng)力、提高力學(xué)性能，常用的后處理技術(shù)主要有整體/局部退火熱處理。后熱處理工藝是目前減小激光增材結(jié)構(gòu)整體殘余應(yīng)力最有效的措施。

卞宏友等[56-57]采用感應(yīng)加熱系統(tǒng)對(duì)激光成形修復(fù)試件進(jìn)行局部去應(yīng)力退火熱處理，局部熱處理后殘余應(yīng)力降低30%以上，同時(shí)由殘余應(yīng)力引起的端部變形量也顯著減小，采用此方法可以解決大型結(jié)構(gòu)整體熱處理困難、效率低等問(wèn)題。Song等[58]研究了真空退火處理對(duì)鐵基材料激光選區(qū)成形件殘余應(yīng)力、組織性能的影響，經(jīng)過(guò)熱處理成形件的拉應(yīng)力得到釋放，剩余殘余應(yīng)力幾乎為零，殘余應(yīng)力作為再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力使晶粒尺寸細(xì)化，材料的強(qiáng)度性能得到提升。

目前，針對(duì)激光增材殘余應(yīng)力變形問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)、改變成形路徑及基板預(yù)熱是在激光增材制造過(guò)程中控制殘余應(yīng)力的最有效方法。采用激光沖擊、超聲沖擊技術(shù)可以改善表面殘余應(yīng)力，但是激光沖擊、超聲沖擊法只能用于減小表面應(yīng)力，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力的控制具有很大的限制。后熱處理工藝是增材結(jié)構(gòu)件成形后減小整體殘余應(yīng)力的常用措施，針對(duì)不同的材料需要詳細(xì)研究其對(duì)應(yīng)力及組織性能的影響。采用材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)改善殘余應(yīng)力累積及分布的相關(guān)理論技術(shù)逐漸應(yīng)用于新型結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形調(diào)控。多光束耦合、輔助磁場(chǎng)超聲場(chǎng)等技術(shù)由于設(shè)備限制多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中，在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用較少，未來(lái)隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟，將有更多的技術(shù)應(yīng)用于激光增材制造。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著激光增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，殘余應(yīng)力引起的變形開(kāi)裂問(wèn)題將限制其廣泛應(yīng)用，因此，開(kāi)展激光增材制造殘余應(yīng)力變形調(diào)控技術(shù)的研究有著非常重要的意義。今后激光增材制造應(yīng)力變形調(diào)控的研究可集中在以下方面：

(1)針對(duì)高性能金屬材料進(jìn)一步深化研究激光增材過(guò)程熱-凝固-應(yīng)力變形演化行為及耦合機(jī)制，建立激光增材成形結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂判據(jù)，并提出相應(yīng)的應(yīng)力調(diào)控方法及預(yù)防變形開(kāi)裂的工藝準(zhǔn)則。

(2)結(jié)合結(jié)構(gòu)件服役需求，基于材料基因組技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型的低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)韌的金屬材料、金屬基復(fù)合材料、梯度材料等；同時(shí)充分發(fā)揮激光增材可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮結(jié)構(gòu)因素對(duì)結(jié)構(gòu)增材制造過(guò)程應(yīng)力變形及使用性能的影響。

(3)開(kāi)發(fā)新型的多激光耦合技術(shù)、激光陣列成形技術(shù)、激光復(fù)合增材制造技術(shù)，在金屬結(jié)構(gòu)件成形過(guò)程中控制殘余應(yīng)力的疊加累積；同時(shí)結(jié)合過(guò)程監(jiān)測(cè)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程應(yīng)力變形檢測(cè)，建立相應(yīng)的調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)激光增材制造過(guò)程應(yīng)力變形的實(shí)時(shí)調(diào)控。

(4)進(jìn)一步完善激光增材制造殘余應(yīng)力變形的檢測(cè)技術(shù)，提高殘余應(yīng)力測(cè)試精度和三維殘余應(yīng)力檢測(cè)能力；開(kāi)發(fā)激光增材制造多物理場(chǎng)、多尺度數(shù)值模擬技術(shù)，提高激光增材應(yīng)力變形的準(zhǔn)確性及計(jì)算效率，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、工藝預(yù)測(cè)、組織性能預(yù)測(cè)等激光增材“全鏈條”制造過(guò)程。