江苏激光联盟导读：

来自中科院力学所的研究人员在《Optics & Laser Technology》期刊上发表了SLM增材制造过程中残余应力研究现状与未来展望的综述。

该论文的主要观点如下：

*对SLM增材制造过程中残余应力的产生给予了综述；

*当前研究残余应力主流的研究方法存在的优缺点给予了介绍；

*对SLM增材制造过程中控制残余应力的新方法也给予了介绍。

图1 AM制造工艺过程中产生的分离和变形

图解：a：In718合金部件中的裂纹；b：Ti6Al4V合金部件中的裂纹；c：部件中裂纹的界面；d：未锚定结构的扭曲；e：同基材连接在一起的结构的扭曲；f：在制造的部件上进行扭曲测试

SLM增材制造过程中粉末层层层熔化和凝固过程造成的应力累积效应而形成的残余应力是我们在生产过程中需要极力避免的。本文则综述了近年来采用SLM进行制造时在关于残余应力的物理模型、实验表征以及相关的调整等方面的工作。同时对主流的以及正在兴起的相关模型的优缺点给予了进一步的分析。基于相关技术当前的现状和未来发展的趋势，也进行了讨论。

SLM技术是当前发展比较迅速的3D打印技术，在航空航天、医疗以及汽车等领域得到了极大的关注和应用。得益于SLM技术所具有的独特的优势，SLM技术可以提供如下的机会：

￥其应用范围从普通的结构延伸到多尺度的复杂结构和关键零部件的应用上；

￥制品所用的材料已经从单一材料发展到多材料、梯度材料；

￥产品的设计理念从底层设计转变成顶层设计，可以综合考虑材料结构、功能和拓扑优化。

图2 残余应力对应力腐蚀裂纹的影响

然而，SLM技术在拥有以上巨大的优势的同时，也伴随着巨大的挑战，其中最为重要的一点就是机械性能的控制。正如上帝为人类打开了一扇窗户，让天使来到了人间，结果魔鬼也悄悄的来到了人世间。在SLM制造的过程中，材料不断地加热和冷却，从固态的粉末状态、熔化然后凝固成固态，造成SLM工艺从本质上成为一种非平衡地热力学过程。因此，不可避免地造成非均匀地显微组织、非均匀地热塑性、相变、改变热塑性等在部件中同时存在。从宏观上来讲，部件中经常会存在较大地残余应力并且会造成部件的变形和产生裂纹，甚至会造成部件的分层，这就为SLM制造过程中质量控的制带来巨大地困惑。

图3 样品经受高周疲劳后的疲劳裂纹的形貌

1.1 残余应力的影响

SLM制造时残余应力带来的影响，其中最直接且最显著的影响是微观的显微组织缺陷和宏观上部件的失效。尽管该技术可以实现对经典材料的SLM制造时实现材料硬度的增加和提高材料抗力。如图1（a-b）所示，非均匀分布的残余应力的积累会导致SLM制造的制品中产生裂纹，这一现象在SLM制造In718、Ti6Al4V时非常常见。图1（c）则表明裂纹的存在直接导致制造的样品从制造平台上由于材料凝固和固态相变所产生的热收缩而分离。与此类似，这种分层现象在支撑部件与其衍生物的界面处很容易发生。对于薄壁件，如图1（d）所示，在打印过程中没有相邻的基材作支撑而发生的扭曲，也是一种典型的失效。此外，如图1（e-f）所示，部件由于变形而同基材发生分离，也会造成SLM部件的质量和产能受影响。据报道，在制造墙压顶结构、悬垂结构、桥接结构、薄壁墙以及其他较复杂的部件时极易遇见这类令人沮丧的现象。

图4 SLM制造时多物理场的示意图

在大多数情况下，残余应力的自平衡会对材料的机械性能造成潜在的威胁，对部件的可靠性也产生不利的影响，如图2所示。甚至会让材料的变形超出可接受的范围。残余应力会在长时间的服役过程中得到释放或重新分布，由此造成疲劳裂纹、脆性断裂、应力腐蚀失效等。Leuders等人的研究发现，残余应力是疲劳裂纹扩展的最主要的因素之一。机械性能中的关键指标，如高周疲劳，SLM打印的制品仍然低于锻造的产品，其原因就是存在较大的残余应力。如图3所示为SLM/HIP的样品在经历620MPa的应力循环后观察到的表面疲劳形貌。

图5 SLM工艺中热-机械耦合图

图5为SLM工艺过程中热-机械耦合的总体图。可见残余应力的产生非常复杂，导致控制残余应力时仅仅采用宏观的热-弹性模型是不够的。因此，非常有必要探索一种多尺度的数值模拟，同时结合新颖的应力测量手段，才有可能取得较为理想的效果。

1.2 残余应力的起源

SLM工艺过程中的粉末从一开始的固相，经历着循环且剧烈、非稳态的加热和冷却过程，产生极端复杂的相变过程、不同的自我限制的边界和复杂的热应力场。在SLM工艺过程中固相的非稳态的热力学状态同材料的激光焊接过程（多道焊接）比较相似。基于相似的热机械过程，激光焊接过程中产生残余应力的知识可以为SLM的工艺过程提供有益的参考。

对残余应力的物理机制的深入理解是实现有效控制残余应力的基石。如图4所示，在SLM的工艺过程中多物理场占据着整个工艺过程并耦合在一起，形成多空间和瞬时尺度上且伴随着激光与粉末之间的、与熔池和凝固的固相之间的相互作用。

图6 由表面形貌决定的残余应力

Mercelis和Kruth提出了临界温度梯度机理（TGM）和冷却相模型用于清晰地解释SLM工艺在宏观尺度层面残余应力的起源。高能量的激光会迅速地熔化粉末层、凝固相发生热膨胀和收缩。大多数早先沉积材料的周围会经历一个重熔和再凝固地循环过程。随着层层沉积地不断循环，压应力就会在内部不断地积聚而平衡表面由于凝固造成的热-弹性-塑性变形，产生抗应力。通过TGM模型，Shi等人基于传热理论和弹塑性理论精确地获得了激光成型薄板的弯曲角。

图7 原位热-机械场的监控系统

已经发展了一系列的数学模型来粗略的估计特定材料的热应力分布。Gusarov、Pavlov和Smurov通过热弹性模拟和实验验证的办法研究了在激光单道扫描时的材料的应力。研究发现，横向方向的最大抗拉应力大约是纵向（扫描方向）的两倍多。这一应力分布的特征可以解释实验观察到的裂纹的类型。而且，残余应力的状态取决于材料的熔点同周围环境温度的比较值，由此可以启发有效控制应力的策略。

图8 对SLM的残余应力产生影响的影响因素图

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文章来源：Review on residual stress in selective laser melting additive manufacturing of alloy parts，Optics & Laser Technology

Volume 129, September 2020, 106283，https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106283

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