溫飛娟，譚春梅，溫奇飛，龍 樟，鄧 榮

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

1 前 言

增材制造技術(shù)于20世紀(jì)80年代提出，至今已有40多年的歷史，被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命中的關(guān)鍵因素，對于未來創(chuàng)新性科技的產(chǎn)生和發(fā)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(shù)的快速發(fā)展，增材制造技術(shù)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)撃?。在材料開發(fā)方面，形成了以金屬、有機(jī)高分子為主流，在陶瓷、玻璃、細(xì)胞等方面不斷創(chuàng)新突破的趨勢[2]，而隨著制造業(yè)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(yīng)用需求也進(jìn)一步深入[4-6]；在成形尺寸方面，大至可以用于數(shù)十米級的建筑打印，小至用于數(shù)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(dú)特優(yōu)勢，具有良好的成型精度，能顯著降低缺陷率并提高力學(xué)性能；在產(chǎn)品應(yīng)用方面，在航空航天、醫(yī)療領(lǐng)域可最大限度利用增材制造定制化、低成本制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在建筑工程領(lǐng)域可用于優(yōu)化復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)[7]，在電子器件領(lǐng)域則可利用增材制造累加不同性質(zhì)材料的特點(diǎn)，增材制造的應(yīng)用已呈現(xiàn)新產(chǎn)品不斷研發(fā)、部分產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)的良好局面。相比常規(guī)加工，金屬增材制造在輕量化、高成本材料加工修復(fù)、品質(zhì)提升、精密制造、響應(yīng)快速、成本降低與供應(yīng)鏈革新等方面能夠發(fā)揮優(yōu)勢，適合小批量、高附加值、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品或新品研發(fā)使用[8-10]。

對作為工業(yè)關(guān)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(shè)定參數(shù)的差異以及成形金屬材料相變和組織演變復(fù)雜，會(huì)造成制造過程控制難度大[11-13]，另外由于復(fù)雜的熱力學(xué)過程，目前金屬增材制造的應(yīng)用面臨著嚴(yán)峻的質(zhì)量挑戰(zhàn)。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(diǎn)包括金屬增材制造精度、層間質(zhì)量、材料組織缺陷及性能控制等方面[8]。金屬增材制造構(gòu)件經(jīng)非平衡凝固后，內(nèi)部引起大量殘余應(yīng)力，易造成應(yīng)力變形，從而影響構(gòu)件力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、使用壽命以及精度，有必要對其殘余應(yīng)力深入研究[14，15]。殘余應(yīng)力可以產(chǎn)生類似于應(yīng)力集中所產(chǎn)生的影響，而應(yīng)力集中對構(gòu)件的生命周期至關(guān)重要。在焊接部件中，殘余應(yīng)力與進(jìn)一步的加載應(yīng)力結(jié)合可以顯著降低部件疲勞抗力，并導(dǎo)致變形、分層、裂紋和其他結(jié)構(gòu)失效[16]。金屬增材制造在快速冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力使得構(gòu)件疲勞性能大幅下降，且內(nèi)部孔隙在疲勞載荷作用下加速裂紋擴(kuò)展，縮短零件壽命。目前，殘余應(yīng)力是增材制造研究的熱點(diǎn)問題。本文主要針對金屬增材制造的原理及特點(diǎn)、殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制及測量方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)論述，并探討金屬增材制造殘余應(yīng)力的調(diào)控手段。

2 增材制造技術(shù)原理及特點(diǎn)

增材制造是基于零件的三維設(shè)計(jì)模型堆疊材料成實(shí)體，是一種完全不同于常規(guī)減材制造的制造方法[2，17]。金屬增材制造技術(shù)基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)將零件的三維模型切片，并分割成二維模型數(shù)據(jù)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(fù)雜幾何形狀的零件[17，18]。這項(xiàng)技術(shù)打破了傳統(tǒng)“鑄造—鍛造—機(jī)械加工”工藝的局限性，可制備傳統(tǒng)制造技術(shù)在短期不易制備的復(fù)雜內(nèi)腔、薄壁零件以及梯度材料[1]，也為設(shè)計(jì)人員提供了自由的零件設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)和材料限制等優(yōu)點(diǎn)[1，17]。目前增材制造技術(shù)在商業(yè)機(jī)器、先進(jìn)軌道交通、電子、國防、軍工等行業(yè)有著廣闊的前景，在特定應(yīng)用領(lǐng)域該技術(shù)已顛覆了以往常規(guī)的制造技術(shù)[4]。然而，金屬增材制造成形零件時(shí)，由于經(jīng)歷極熱極冷，高的溫度梯度、熔池的快速凝固、組織轉(zhuǎn)變等引起殘余應(yīng)力的復(fù)雜分布，當(dāng)殘余應(yīng)力累積到一定程度，甚至?xí)?dǎo)致零件產(chǎn)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(shù)方向如圖1所示。不同的增材制造技術(shù)工藝原理相似，其中激光選區(qū)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(shù)的分類Fig.1 Classification of metal additive manufacturing technology

表1對各類增材制造技術(shù)的成形質(zhì)量及適用性進(jìn)行了總結(jié)。由表1對比可知，電弧增材制造雖然成形質(zhì)量略差，但在成形速度、成形能力、設(shè)備機(jī)動(dòng)性以及抗干擾能力等方面均具有較大的優(yōu)勢；激光近凈成形技術(shù)在各個(gè)方面都比較均衡；而其他幾項(xiàng)技術(shù)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(shù)具有較大的應(yīng)用潛力。

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

2.1 激光選區(qū)熔化

激光選區(qū)熔化是根據(jù)選區(qū)激光燒結(jié)發(fā)展而來，該技術(shù)通過高能激光束，按設(shè)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(gòu)件，設(shè)備及原理示意圖見下圖2，主要用于中小型構(gòu)件的制造[20]。在激光選區(qū)熔化過程中，金屬粉末粒子從激光束中吸收高能量，產(chǎn)生極端高溫，粉末發(fā)生熔化，然后快速冷卻，使熔融的金屬凝固。這個(gè)步驟是重復(fù)的，一層一層的重疊確保了三維構(gòu)件的形成。激光熔化是在氬氣或氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)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(dòng)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(yīng)力在零件內(nèi)部形成，易對激光選區(qū)熔化設(shè)備中的刮刀造成嚴(yán)重的損傷。較大的殘余應(yīng)力會(huì)改變構(gòu)件最終的幾何形狀，引入力學(xué)性能各向異性，并降低疲勞壽命，過大的殘余應(yīng)力會(huì)使零件開裂失效[2，7，17]。由于激光選區(qū)熔化工藝中使用了復(fù)雜的激光光柵圖案，材料的某些區(qū)域經(jīng)歷多次再加熱和冷卻循環(huán)，因此，殘余應(yīng)力表現(xiàn)出了復(fù)雜的時(shí)空格局。

圖2 激光選區(qū)熔化成形設(shè)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(qū)熔化最主要的特點(diǎn)是出現(xiàn)傳熱學(xué)中的固液相變問題，即存在隨時(shí)間變化的液相區(qū)和糊狀區(qū)。激光選區(qū)熔化工藝下材料物理行為非常復(fù)雜，例如流體流動(dòng)、傳熱和熔化/凝固。激光選擇性地掃描粉末床時(shí)，粉末被加熱，然后隨著溫度高于熔點(diǎn)而熔化，形成熔池。高強(qiáng)度激光通常會(huì)引起較大的溫度梯度并導(dǎo)致表面張力的差異，稱為馬蘭戈尼效應(yīng)[22]。一旦溫度超過沸點(diǎn)，就會(huì)出現(xiàn)反沖壓力。馬蘭戈尼效應(yīng)和反沖壓力會(huì)極大地影響熔體的流動(dòng)，進(jìn)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(shí)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(qū)熔化技術(shù)的國家之一，并在2002年成功研發(fā)出相關(guān)設(shè)備。目前，國內(nèi)外主要的激光選區(qū)熔化設(shè)備廠家和設(shè)備參數(shù)如表2[24]所示。

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

激光選區(qū)熔化成形件抗拉強(qiáng)度可高出常規(guī)鑄件，達(dá)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(qū)熔化可以進(jìn)行大型承力結(jié)構(gòu)的高效成型和復(fù)雜精密構(gòu)件的制造，迄今為止，仍是應(yīng)用范圍最廣、成形結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、適用材料最多的一種增材制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用在汽車、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)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(shè)備和焊絲材料成本更低，因?yàn)樗Y(jié)合了傳統(tǒng)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。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(chǎn)率。因此，電弧增材制造工藝廣泛應(yīng)用于大型國防和航天部件的生產(chǎn)，其原理如圖3所示[24，25]。

圖3 電弧增材制造技術(shù)的設(shè)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(zhǔn)確預(yù)測金屬電弧增材制造過程中的實(shí)際情況，各種焊接熱源模型被廣泛應(yīng)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(chǎn)生的窄而深的熔池以及熔化極氣體保護(hù)焊焊接過程中熔滴的熱源分布。當(dāng)熔池較大且較深時(shí)，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(shù)方程比較繁瑣，計(jì)算耗時(shí)長，特別是針對形狀復(fù)雜的大型零件時(shí)[23]。

圖4展示了多道焊、激光選區(qū)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(qū)熔化模型與電弧增材制造模型相比，其構(gòu)件中的層厚度通常遠(yuǎn)小于電弧增材制造部件的[27]。

圖4 相同焊道/層數(shù)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(qū)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(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制及測量方法

3.1 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制

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

圖5 增材制造時(shí)輻照區(qū)在加熱階段(a)和冷卻階段(b)的應(yīng)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(qū)熔化殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

在激光選區(qū)熔化過程中殘余應(yīng)力主要在受熱和冷卻2個(gè)過程中產(chǎn)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(yīng)力；與此同時(shí)，高溫部位屈服強(qiáng)度降低，某些部位的熱應(yīng)力超過屈服極限，引起熔池部分塑性熱壓縮應(yīng)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(qū)熔化受熱過程熔池周圍的熱應(yīng)力場[30]：(a)熔池的側(cè)視圖；(b)熔池的俯視圖；(c)應(yīng)力集中發(fā)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(yuǎn)離階段，熔池凝固時(shí)由于產(chǎn)生熱收縮并被周圍限制，會(huì)引起局部拉伸應(yīng)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(yīng)力[7，28]。在加工下一層時(shí)，之前受熱的打印層變?yōu)橄聦?，殘余?yīng)力為壓應(yīng)力，并且之后的二次冷熱循環(huán)會(huì)使壓應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，多層溫度累積會(huì)平衡底層殘余應(yīng)力[30]。最大殘余應(yīng)力隨著增材制造高度的增加先降低后增大，并最終趨于穩(wěn)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(shù)的增大而增大[7，31]。在切割分離基板后，基板連接處較高應(yīng)力水平快速釋放，在制品中形成兩側(cè)為拉應(yīng)力和中部為壓應(yīng)力的殘余應(yīng)力分布，其大小主要受材料屈服強(qiáng)度、基板剛度和制品幾何尺寸影響[7]。過量殘余應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)使材料的力學(xué)性能發(fā)生顯著的變化，特別是沖擊疲勞性能，還會(huì)在加工過程中或之后造成過度的幾何變形，最終導(dǎo)致增材制造部件的失效[5]。Li等[29]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用增材制造打印CAD模型時(shí)，由于反復(fù)加熱和冷卻或獨(dú)特的熱循環(huán)，會(huì)在模型中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這種獨(dú)特的熱循環(huán)包括前一層“回融”的融化，同時(shí)熔化頂層和之前凝固的層，導(dǎo)致零件變形。Pidge等[32]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，高能熱源迅速加熱材料，材料向外膨脹，但由于熱源與環(huán)境的溫差，這種膨脹受到環(huán)境溫度的制約而在加熱區(qū)產(chǎn)生了壓應(yīng)力。當(dāng)熱源離開時(shí)，加熱區(qū)域開始冷卻，這就導(dǎo)致了材料的收縮，且與加熱階段形成的塑性應(yīng)變相反。因此，拉伸殘余應(yīng)力被一個(gè)壓縮區(qū)平衡。

3.1.2 電弧增材制造殘余應(yīng)力的產(chǎn)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(dǎo)致不可忽視的殘余應(yīng)力，這可能會(huì)影響構(gòu)件結(jié)構(gòu)的完整性和使用壽命。增材制造構(gòu)件各方向交叉區(qū)域具有包含流體靜力拉伸殘余應(yīng)力的理論風(fēng)險(xiǎn)，而這些殘余應(yīng)力最終不能被熱應(yīng)力解除，且電弧增材制造產(chǎn)生非常大的應(yīng)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(gòu)件中殘余應(yīng)力的分布特征進(jìn)行相應(yīng)研究。Sun等[27]通過數(shù)值模擬分析了電弧增材制造鋁合金部件的殘余應(yīng)力分布特征，其結(jié)果如圖7所示。圖7b表明，當(dāng)梁的高度超過一定的值時(shí)，最后一層會(huì)產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力，這明顯不同于多道焊和激光選區(qū)熔化的構(gòu)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(yīng)力的變化先快后慢；但梁的高度對梁內(nèi)橫向殘余應(yīng)力的大小幾乎沒有影響(圖7e)，而襯底橫向殘余應(yīng)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(gòu)件的橫梁橫向約束程度較低，其橫梁橫向殘余應(yīng)力遠(yuǎn)小于基板橫向殘余應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律[27]：(a)有限元模型；(b)沿線條3(梁)的縱向殘余應(yīng)力分布；(c)沿線條1(襯底上部)的縱向殘余應(yīng)力分布；(d)沿線條2(襯底基層)的縱向殘余應(yīng)力分布；(e)沿線條1的橫向殘余應(yīng)力分布；(f)沿線條2的橫向殘余應(yīng)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(yīng)力的測量方法

殘余應(yīng)力的測量技術(shù)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(jī)械法，即分離構(gòu)件中存在殘余應(yīng)力的部分，并釋放應(yīng)力，通過測量應(yīng)變的變化來計(jì)算獲取殘余應(yīng)力，包括逐層切削法、鉆孔法、電化學(xué)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(yīng)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(nèi)部的雙軸殘余應(yīng)力分布，研究表明：環(huán)形電弧增材制造模型的應(yīng)力分布與厚焊縫中心線多道接頭的應(yīng)力分布相似。H?nnige等[33]發(fā)現(xiàn)輪廓法的零應(yīng)力假設(shè)在不平衡應(yīng)力場中是無效的，需要進(jìn)行后處理，而中子衍射測量的結(jié)果可以定性地揭示沉積交點(diǎn)的大應(yīng)力和梯度區(qū)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(jié)合的方法，利用撓度數(shù)據(jù)和有限元模型確定了從主襯底去除零件過程而減輕的應(yīng)力。結(jié)果表明，當(dāng)零件從主襯底中去除時(shí)，其內(nèi)部的應(yīng)力大大減少。構(gòu)件的應(yīng)力水平對鉆孔方法的精度有直接影響：如果應(yīng)力大于材料屈服應(yīng)力的60%，那么分析要求考慮塑性。將鉆孔法和輪廓法計(jì)算的應(yīng)力與撓度法計(jì)算的應(yīng)力相結(jié)合，計(jì)算結(jié)果表明，零件在加工后存在較大的應(yīng)力。破壞性檢測會(huì)損傷零部件，不適合在實(shí)際生產(chǎn)中對大批量零件進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，但精度普遍較高，技術(shù)也成熟，適合實(shí)驗(yàn)室研究[28，30]。

增材制造金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力無損檢測主要借鑒針對傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算殘余應(yīng)力，但只能測量材料表層的殘余應(yīng)力，對于內(nèi)部應(yīng)力效果較差[30]。隨著中子和同步輻射衍射技術(shù)的發(fā)展，無損殘余應(yīng)力評價(jià)方法得到了極大的發(fā)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(yīng)力。XRD測定的應(yīng)力是作用在Al合金基體上的宏觀應(yīng)力，而拉曼光譜測定的應(yīng)力是作用在細(xì)Si析出物上的微應(yīng)力(圖8)，并提供了一個(gè)詳細(xì)的工序確定含游離硅的合金中的殘余應(yīng)力。超聲波的方向性好、穿透能力強(qiáng)，主要用于殘余應(yīng)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(fā)展需要優(yōu)化超聲波設(shè)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(fù)雜性也是超聲波法面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。中子衍射法可以測得構(gòu)件內(nèi)部深度達(dá)厘米級范圍內(nèi)的應(yīng)力分布，且精度較高，但運(yùn)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(yīng)力的方法。Pidge等[32]采用數(shù)字圖像相關(guān)法和中子衍射法測得不銹鋼316L的L形棒殘余應(yīng)力在中心處是壓縮應(yīng)力，在L形棒表面附近是拉伸應(yīng)力。

圖8 拉曼光譜技術(shù)測量的激光粉末熔化的AlSi10Mg中細(xì)Si析出物上的殘余應(yīng)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(fā)展，一些新的殘余應(yīng)力測量方式也相應(yīng)出現(xiàn)。如采用裂紋柔度法對電子束選區(qū)熔化和激光選區(qū)熔化構(gòu)件的殘余應(yīng)力進(jìn)行對比分析[40]。研究發(fā)現(xiàn)電子束熔化的殘余應(yīng)力可以忽略不計(jì)，而激光選區(qū)熔化在構(gòu)件中間產(chǎn)生壓應(yīng)力，在底部和頂部產(chǎn)生拉應(yīng)力，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在激光選區(qū)熔化過程中對搭建平臺(tái)進(jìn)行預(yù)熱，可以顯著降低構(gòu)件的殘余應(yīng)力和孔隙率。Zhan等[41]首次將激光超聲技術(shù)作為一種先進(jìn)的無損檢測方法應(yīng)用于激光加工TC4鈦合金的殘余應(yīng)力測量，利用脈沖激光誘導(dǎo)的表面波反演縱向和橫向殘余應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)：試樣的殘余應(yīng)力水平屬于低殘余應(yīng)力域，平行于掃描方向的殘余應(yīng)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(yīng)力變化較快，采用傳統(tǒng)的測試方法不能對其成形過程的應(yīng)力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的精確測量[30]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬以其經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、可靠的優(yōu)勢在增材制造應(yīng)力場變化規(guī)律研究中的應(yīng)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(shí)針旋轉(zhuǎn)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(jìn)行殘余應(yīng)力模擬，得出殘余應(yīng)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(yīng)力集中要比中間更嚴(yán)重，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。李桂偉[43]通過模擬仿真發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。對于激光選區(qū)熔化，嚴(yán)重?zé)崽荻葧?huì)產(chǎn)生巨大的殘余應(yīng)力，從而使構(gòu)件幾何扭曲并改變構(gòu)件性能。Bartlett等[44]開發(fā)了一種用于激光選區(qū)熔化部件殘余應(yīng)力測量的程序，使用三維數(shù)字圖像來捕獲原位表面畸變，建立二維解析模型，將數(shù)字圖像表面曲率測量值轉(zhuǎn)換為面內(nèi)殘余應(yīng)力的估計(jì)。使用316L不銹鋼“倒錐”構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)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(qiáng)烈。Bieglar等[45]提出了一種新的方法來量化變形，將數(shù)字圖像與光學(xué)濾波器結(jié)合，直接測量由激光增材制造產(chǎn)生的金屬層幾何形狀的原位畸變。

殘余應(yīng)力的測量方法多種多樣，但是，從實(shí)驗(yàn)和理論的角度來看，殘余應(yīng)力的確定過程仍然是非常復(fù)雜的。

4 殘余應(yīng)力調(diào)控

由于殘余應(yīng)力是誘導(dǎo)增材制造構(gòu)件產(chǎn)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(gòu)件的應(yīng)力水平，防止構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力集中具有非常重要的意義[46]。

4.1 工藝參數(shù)調(diào)控應(yīng)力變形

優(yōu)化增材制造工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力累積過程的控制，減小變形開裂傾向[30]。合理設(shè)計(jì)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(chǎn)生壓縮來抵抗局部拉伸殘余應(yīng)力。通過預(yù)熱過程還可利用有利的相變在某些方面降低內(nèi)部壓縮殘余應(yīng)力，特別是有研究表明[47，48]，當(dāng)線膨脹系數(shù)更接近時(shí)，粘結(jié)材料之間的變形會(huì)減少。因此，在設(shè)計(jì)粉末成分和激光選區(qū)熔化工藝時(shí)，利用熱效應(yīng)和相變來抵消殘余應(yīng)力不失為一種有效方法。Robinson等[36]發(fā)現(xiàn)單向矢量制造的激光選區(qū)熔化構(gòu)件的殘余應(yīng)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(yīng)力，X-Y交替多向掃描策略獲得了最均勻的應(yīng)力分布和最低的殘余應(yīng)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(fā)現(xiàn)在預(yù)處理階段，通過將掃描策略、艙口長度和艙口間距有效結(jié)合來控制殘余應(yīng)力狀態(tài)，可減輕殘余應(yīng)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(yīng)力影響的熱力學(xué)模型，模擬結(jié)果表明，隨著激光光斑重疊度的增大，成形件殘余應(yīng)力增大。當(dāng)重疊區(qū)為2 mm×2 mm時(shí)殘余應(yīng)力最小，但出現(xiàn)多條裂紋；5 mm×5 mm的重疊區(qū)為高密度的最佳掃描策略，掃描出來的零件有更好的力學(xué)性能，將產(chǎn)生相對較少的殘余應(yīng)力[32]。Bian等[51]研究了激光選區(qū)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(yīng)力分布的影響，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，4種情況下的敏感區(qū)域(每層的中心區(qū)域)，拉伸殘余應(yīng)力從表面到內(nèi)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(shí)，殘余應(yīng)力增加更顯著。Chen等[52]針對熱殘余應(yīng)力/變形的控制問題，提出了一種基于水平集的掃描路徑優(yōu)化方法。該方法可實(shí)現(xiàn)幾何輪廓分明零件的分層連續(xù)掃描路徑優(yōu)化。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，在L型托架應(yīng)力最小化問題中，從結(jié)構(gòu)和掃描路徑2方面并行設(shè)計(jì)后最大等效應(yīng)力比只優(yōu)化掃描路徑的最大等效應(yīng)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(yīng)力的實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(yīng)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?zé)崽荻?，從而?shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的最小化[54]。

4.2 預(yù)熱緩冷及重熔調(diào)控應(yīng)力變形

為了解決增材制造過程中溫度梯度較大導(dǎo)致殘余應(yīng)力的問題，基板預(yù)熱、氣氛預(yù)熱、多光束、光束重復(fù)掃描等多種方法應(yīng)運(yùn)而生[55]。采用基板預(yù)熱的方式，可以減少溫度梯度，使整個(gè)激光增材制造零件內(nèi)應(yīng)力均勻分布。但是對于大型零件，整體實(shí)行基板預(yù)熱會(huì)產(chǎn)生較大的成本，不易實(shí)現(xiàn)?？山梃b局部熱處理技術(shù)的思想，通過對應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行預(yù)熱，抑制應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力產(chǎn)生，使之不足以產(chǎn)生裂紋。一般來說，激光增材制造應(yīng)力集中點(diǎn)主要集中在掃描路徑軌跡方向改變的轉(zhuǎn)角位置、加工的起始點(diǎn)及終止點(diǎn)。專門針對這些應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)加熱，可以取得較好的應(yīng)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(diǎn)預(yù)熱應(yīng)力控制方法進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)熱源預(yù)熱可以達(dá)到去除應(yīng)力的效果，對加工結(jié)束時(shí)刻整體應(yīng)力水平去除效果更為明顯，預(yù)熱溫度值變化對應(yīng)力去除效果影響不是很顯著。與激光選區(qū)熔化零件相比，電子束熔化加工的零件具有更低的殘余應(yīng)力。這是由于粉末在床上進(jìn)行了充分的預(yù)熱，并在惰性環(huán)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(qū)熔化或半固態(tài)加工輸入激光能量和預(yù)熱，使加工層材料保持半固態(tài)狀態(tài)，可以降低零件的殘余應(yīng)力[56]。

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

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通過使結(jié)構(gòu)過渡均勻、支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)而減小應(yīng)力變形，進(jìn)而減小或改善殘余應(yīng)力的分布，這是一種新的應(yīng)力調(diào)控思路。采用連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化算法，在優(yōu)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(jié)構(gòu)使激光熱量高效地通過支撐結(jié)構(gòu)傳遞至基板，最終確保原型件殘余應(yīng)力及熱變形可控[57]。在增材制造過程中，沉積模式對殘余應(yīng)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(nèi)外螺旋型5種典型長方體結(jié)構(gòu)的溫度場和應(yīng)力場，結(jié)果表明：S型結(jié)構(gòu)的等效殘余應(yīng)力、最大主殘余應(yīng)力都能達(dá)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?fù)鋬?yōu)化計(jì)算易于處理，在增材制造模型中采用固有應(yīng)變法對殘余應(yīng)力進(jìn)行快速預(yù)測。采用梯度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，通過將最大應(yīng)力限制在屈服強(qiáng)度之下，可以防止殘余應(yīng)力引起的開裂。為了驗(yàn)證該方法的可行性，分別設(shè)計(jì)了雙懸臂梁和髖關(guān)節(jié)種植體的支撐結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的支撐結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)減重約60%。優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)后打印的構(gòu)件不再發(fā)生應(yīng)力開裂，證明了該方法的有效性。蔣聰?shù)萚60]將激光增材制造應(yīng)用于制備微型導(dǎo)向器，通過增加零件余量設(shè)計(jì)、改進(jìn)零件變形支撐設(shè)計(jì)和磨粒流精度控制等方法，解決了目前準(zhǔn)確控制變形、減少或去除殘余應(yīng)力方面的難點(diǎn)。

4.4 輔助外場調(diào)控應(yīng)力變形

對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)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(jìn)行輔助干預(yù)，改變其微觀組織和應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力變形的調(diào)控[30]。任朝暉等[61，62]利用ANSYS軟件對TC4合金激光熔絲過程進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬并施加超聲滾壓微鍛造，研究發(fā)現(xiàn)激光熔絲熔覆層應(yīng)力分布更加均勻，拉應(yīng)力減小，甚至轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，有效地抑制制件內(nèi)部缺陷的形成。Zhou等[63]用實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)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(jié)果表明，超聲沖擊處理后殘余應(yīng)力在塑性變形區(qū)由拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，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(yīng)力，在激光選區(qū)熔化過程中有助于將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力[21]。

4.5 后處理調(diào)控應(yīng)力變形

表面后處理分為3大類：機(jī)械處理、激光處理和化學(xué)處理。機(jī)械加工包括磨削、銑削、拋光、滾動(dòng)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(qū)動(dòng)磨料拋光、水動(dòng)力空化磨料拋光和超聲空化磨料拋光。合適的參數(shù)下軋制可以產(chǎn)生晶粒細(xì)化，并在處理層中誘發(fā)殘余壓應(yīng)力，改善構(gòu)件力學(xué)性能，并降低其表面粗糙度。一定參數(shù)下噴砂/珠可以輕微提高表面硬度，并在亞表層產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余壓應(yīng)力。在增材制造中應(yīng)用噴丸進(jìn)行后處理，可以控制表面粗糙度，細(xì)化表層晶粒，產(chǎn)生高殘余壓應(yīng)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(jìn)行一個(gè)道次軋制或在沉積過程中每一層都進(jìn)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(yīng)變率的機(jī)械表面處理方法，通過對工件進(jìn)行沖擊使工件表面硬化，并產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而改善材料的力學(xué)性能。Sun等[58]研究發(fā)現(xiàn)，激光噴丸使電弧增材制造的2319鋁合金的殘余應(yīng)力狀態(tài)由拉伸狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)。激光沖擊強(qiáng)化是一種新型表面強(qiáng)化與改性技術(shù)，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力普遍高于噴丸產(chǎn)生的，表面和深部均能夠較好呈現(xiàn)。Kalentics等[64]提出將激光選區(qū)熔化和激光沖擊強(qiáng)化這2個(gè)過程結(jié)合起來，對316奧氏體不銹鋼采用激光選區(qū)熔化進(jìn)行沉積制造，并用此方法改善殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)合的方法與傳統(tǒng)的激光沖擊強(qiáng)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(yīng)力，增加激光沖擊強(qiáng)化處理之間的激光選區(qū)熔化層數(shù)量可以增加壓應(yīng)力深度。

H?nnige等[65]研究了垂直跨間軋制和沉積后側(cè)軋制對電弧增材制造2319鋁壁的影響，結(jié)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(yīng)力，消除了變形；沉積后側(cè)軋制對控制電弧增材制造鋁合金零件的殘余應(yīng)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(tǒng)制造工藝進(jìn)行結(jié)合，形成一種“表面軋制”，通過堅(jiān)硬和高度拋光的滾輪，使焊道表面發(fā)生塑性變形，以改善表面光潔度，并引起壓應(yīng)力，抵消焊接加熱-冷卻循環(huán)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；在電弧增材制造的連續(xù)層上使用噴丸處理，在噴丸過程中，每個(gè)沉積層的表面被小硬球反復(fù)沖擊，產(chǎn)生塑性變形和壓應(yīng)力，可以減輕殘余應(yīng)力并減少變形[66，67]。

車削、磨削、噴丸強(qiáng)化、精加工(磁場輔助精加工、激光精加工)等都會(huì)在工件表面及工件表面以下產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。從這個(gè)角度來看，增材和減材聯(lián)合制造有望組合各自的殘余應(yīng)力特性，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力的平衡效應(yīng)。Zhang等[68]電弧增材制造Al5Si鋁合金，發(fā)現(xiàn)通過銑削產(chǎn)生的壓應(yīng)力可抵消初始?xì)堄嗬瓚?yīng)力，降低表面殘余應(yīng)力，并消除內(nèi)部最大應(yīng)力點(diǎn)，使得具有先前初始?xì)堄鄳?yīng)力的材料在不同的銑削深度下達(dá)到新的平衡。Colegrove等[69]發(fā)現(xiàn)軋制工藝對沉積部分的殘余應(yīng)力和變形的改善有限，因?yàn)榇蟛糠肿冃问窃诔练e方向的側(cè)面引起的。通過采用開槽輥或側(cè)軋這種防止橫向變形的軋制方法，可以實(shí)現(xiàn)更大的殘余應(yīng)力降低。

4.6 熱處理調(diào)控應(yīng)力變形

常用的熱處理后處理技術(shù)主要有整體/局部退火熱處理。熱處理對增材制造金屬構(gòu)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(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)方法[70]。

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

5 結(jié) 語

增材制造技術(shù)在當(dāng)前的先進(jìn)制造領(lǐng)域中發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。增材制造部件在制備時(shí)的受熱和冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的殘余應(yīng)力，檢測殘余應(yīng)力以及如何調(diào)控殘余應(yīng)力至關(guān)重要。目前對殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制的解釋主要是溫度梯度機(jī)制，最常用的殘余應(yīng)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(yīng)力，預(yù)熱緩冷及重熔可以很好地調(diào)控應(yīng)力變形。借助輔助外場調(diào)控也是一個(gè)熱門的研究方向，或施加超聲滾壓微鍛造或振動(dòng)，或?qū)⒓す庹{(diào)幅精細(xì)織構(gòu)和電弧增材制造高沉積速率等結(jié)合。熱處理、表面處理等后處理技術(shù)也是控制殘余應(yīng)力的常用手段。因此，未來金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展和殘余應(yīng)力控制及研究，可以從以下3個(gè)方面展開研究：

(1)增材制造件殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善。目前尚未形成金屬增材制造構(gòu)件檢測標(biāo)準(zhǔn)體系，且大部分不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，這將嚴(yán)重制約增材制造構(gòu)件的廣泛應(yīng)用。建立增材制造金屬構(gòu)件的性能評價(jià)體系以及應(yīng)用評估準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)金屬材料增材制造的標(biāo)準(zhǔn)化和制度化將是未來重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

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

(3)借助材料基因組技術(shù)發(fā)展。建立材料成分、工藝、組織、性能和構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀之間的模型，是實(shí)現(xiàn)對增材制造構(gòu)件殘余應(yīng)力、尺寸精度和力學(xué)性能的控制的重要途徑。