選擇性激光熔化制造金屬構件殘余應力的研究進展

，，，

(上海工程技術大學材料工程學院，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)技術是指基于計算機輔助設計(CAD)模型，采用逐層疊加方式制造具有復雜幾何形狀零部件的一種近凈成形工藝[1]。增材制造技術打破了傳統工藝的設計約束條件，提高了工藝的幾何自由度以及材料的利用率，實現了零部件的個性化定制，大大降低了生產成本[2-3]。選擇性激光熔化(SLM)技術是一種典型的增材制造工藝，該工藝通過高能量激光束選擇性熔化及熔合金屬粉末層來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性能[6-7]。

然而，由于SLM工藝以高能激光束為熱源對粉末層進行掃描，這種局部熱輸入造成了不均勻的溫度場，引起了局部熱效應，使得熔池在凝固和冷卻過程中極易產生殘余應力，因此SLM制造構件的內部會存在極高的殘余應力[8-10]。殘余應力的存在不僅會影響構件的尺寸穩定性，還會降低構件的屈服強度、疲勞強度和耐腐蝕性能，嚴重時會直接導致構件的脆性破壞[11-13]。通過迅速移除激光束產生的熱量可減小殘余應力，這就要求金屬粉末材料具有足夠高的導熱性，但高導熱性又會導致構件性能的下降[14]。因此，如何減小并消除激光增材制造構件中的殘余應力而不降低其性能，一直是國內外激光加工領域的研究熱點之一。

為了給相關研究人員提供參考，作者先簡單介紹了在SLM制造過程中殘余應力的產生機制和檢測方法，隨后綜述了SLM工藝參數對構件中殘余應力的影響以及降低或消除殘余應力的研究進展，并對未來的研究方向進行了展望。

1 SLM制造過程中殘余應力的產生機制

殘余應力是指在無外力或外力矩作用下材料自身保持平衡的彈性應力，是零部件表面完整性的重要內容和技術指標[15]。在SLM制造過程中殘余應力主要在加熱和冷卻兩階段產生。

在加熱過程中，高能量激光束中心及其附近部位的金屬粉末以遠高于周圍區域的升溫速率被急劇加熱并發生熔化形成熔池，受熱影響的已成形部位發生膨脹，該熱膨脹變形受到周圍的約束，導致彈性熱應力的產生；同時，受熱影響的部位溫度升高，導致該部位的屈服強度降低，某些部位的熱應力會超過其屈服極限，因此熔池部分會形成塑性的熱壓縮應變。

在冷卻過程中，熔池凝固時發生熱收縮，該熱收縮變形受到周圍的限制，導致局部拉應力的產生，相應地在熔池下部會形成殘余壓應力與之平衡[16-17]。

2 殘余應力的測試方法

殘余應力對構件的力學性能、尺寸穩定性、組織穩定性和實際使用壽命等會有一定的影響，多數情況下為不利影響，因此殘余應力的檢測非常重要[17]。殘余應力的測試技術發展至今已有數十種，常用的測試方法可以分為有損和無損兩大類。

有損測試主要為機械方法，即將存在殘余應力的部分從構件中分離出來，使應力釋放，通過測試應變的變化來計算得到殘余應力，主要包括鉆孔法[18]、分割全釋放法[19]、剝層法[20]等。有損測試會對構件造成一定的損傷，但其精度一般較高，且技術較成熟。無損測試主要為物理方法，即利用聲、光、磁、電等在不損害或不影響被測對象使用性能的前提下測試殘余應力，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力測試方法。鉆孔法的測試原理簡單、成本低、檢測速率快，但只能用于測定平面應力，而且鉆孔時易產生加工應變，對檢測結果造成干擾；X射線衍射法檢測速率快、數據可靠性高、應用范圍廣，但只能測試材料表層(幾十微米內)的殘余應力，不能很好地反映成形構件內部的應力狀態。超聲波法所用超聲波的方向性好、穿透能力強，可以測試構件表面以及內部的殘余應力，但精度較低，受材料各向異性、環境溫度、探頭與構件之間聲耦合效應的影響較大；中子衍射法可以測得構件內部深度達厘米級范圍內的應力分布，且精度較高，但是運行成本極高。

不同殘余應力測試方法的適用范圍差異較大，其測試深度有原子級、微米級、毫米級和米級，需要根據實際技術要求進行選擇。

3 影響殘余應力的SLM工藝參數

SLM制造過程是一個非常復雜的冶金過程，因此影響所制造構件內部殘余應力的因素有很多，包括工藝參數、粉末狀態、基板狀態、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的變化而變化，工藝參數選擇不當可能會使成形構件中產生過高的熱應力集中，導致性能下降，因此，SLM工藝參數的優化有利于減小成形構件內部的殘余應力[27-31]。

SLM工藝參數較多，包括進程前參數、進程中參數和進程后參數，每種參數的變化都可能影響最終構件的性能。進程中參數可以用體積能量密度來統一體現，體積能量密度即單位體積內材料的平均施加能量，其計算公式為

(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。

適當地增大激光體積能量密度可以有效地提高成形構件的表面質量和相對密度。體積能量密度主要由激光功率、掃描速度、掃描間距、粉層厚度等參數決定，這些參數對殘余應力的影響分析如下。

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AlSi10Mg合金進行了SLM成形研究，發現當激光功率從150 W增至300 W時，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，殘余應力也隨之增大。FU等[37]對在SLM制造Ti-6Al-4V合金構件過程中的三維溫度變化進行了研究，發現隨著激光功率的增大，熔池的寬度、長度以及深度幾乎都呈線性增加，溫度梯度急劇增大，構件內部的殘余應力也隨之增大。在不同激光功率下316L不銹鋼熔覆層的殘余應力為拉應力，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件的過程中，隨著激光功率的增大，熔池尺寸增大，激光束照射區域以及基材熱影響區的熱量增加，溫度梯度增大，冷卻時產生的殘余應力也隨之增大。因此，須根據材料的性能選擇合適的激光功率，從而有效減小殘余應力。

3.2 掃描速度

掃描速度是指單位時間內激光束移動的距離。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合金構件的過程中，當掃描速度從100 mm·s-1增至400 mm·s-1時，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，殘余應力減小[36]。6061鋁合金具有與AlSi10Mg合金相同的規律，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成形過程時發現，當掃描速度增大時，熔池尺寸、溫度和殘余應力都降低。

以上研究結果表明，適當提高掃描速度可以降低SLM制造構件內的殘余應力。在SLM制造過程中，隨掃描速度的增大，單位時間內單位面積激光照射區域的熱量減少，熔池尺寸減小，在快速加熱和快速冷卻過程中產生的溫差降低，從而使殘余應力降低。

3.3 掃描間距和粉層厚度

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

在SLM制造過程中，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、殘余應力降低。VAN BELLE等[43]在研究SLM制造馬氏體時效鋼構件內的殘余應力時，發現當粉層厚度從20 μm增加到40 μm時，成形構件中的殘余應力從700 MPa降低到200 MPa。此外，在SLM制造過程中，在兩層之間的掃描停頓時間對構件的殘余應力也有影響，停頓時間越短，即冷卻時間越短，構件的殘余應力越小，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掃描、島嶼掃描、分形掃描和螺旋掃描等4種[44]。之字形連續掃描是最傳統的一種掃描策略。島嶼掃描策略將粉層劃分成一個個更小的方塊區域，如同一個個小島嶼，這些區域被單獨并隨機地掃描以實現更均勻的熱量分布；在掃描過程中，每個島嶼可以被視為能夠獨立選擇掃描策略的區域，通常相鄰島嶼的掃描方向相互垂直，從而使每個粉層具有沿多個方向掃描的軌道，使得在一個方向上不存在主應力，從而減小SLM制造構件內部的各向異性；采用在每兩層之間旋轉(通常為90°)的掃描方案也可以產生類似的效果。分形掃描策略應用數學里的分形幾何學進行掃描路徑設置，這種掃描路徑具有無限嵌套層次的精細結構，具有遞歸性，易于進行計算機迭代。螺旋掃描策略是指從粉層的外部開始一圈圈向中心掃描，或從中心開始一圈圈向外掃描的掃描策略。ZAEH等[45]研究了單向連續掃描策略、雙向交叉掃描策略(之字形連續掃描策略)以及島嶼掃描策略對SLM成形懸臂構件的懸臂位置或是中心位置殘余應力的影響，發現采用單向連續掃描策略成形構件內的殘余應力最大，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果。PARRY等[47]研究發現，當掃描面積從1 mm2增加到3 mm2時，最大應力從189.3 MPa增加到305.2 MPa。GIBSON等[2]也報道了類似的結果，即增加掃描矢量長度會導致殘余應力增大。與使用較長掃描矢量的連續掃描策略相比，采用島嶼掃描策略成形的構件表現出較低的殘余應力。

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連續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，發現與采用傳統島嶼掃描策略成形的構件相比，采用分形掃描策略成形構件的相對密度更高，殘余應力分布更均勻。與傳統的連續掃描策略相比，螺旋掃描策略可以減小掃描矢量的長度并改變每層內的矢量方向，但兩種掃描策略成形構件的殘余應力大小并沒有明顯差異[49]。在成形復雜形狀構件時，螺旋掃描策略比連續掃描策略更優越；螺旋掃描策略更適用于處理曲率變化很大或每層不規則和不一致的復雜模型[50]。

3.5 粉末床預熱工藝

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

目前，粉末床預熱工藝被認為是在SLM制造過程中調節和控制殘余應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力的掃描策略。

4 殘余應力的降低或消除

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

5 結束語

SLM制造過程是一個非穩態、極冷極熱的瞬態過程，局部熱輸入必然會導致不均勻的溫度場，使成形構件內部存留較大的殘余應力；而殘余應力對構件的性能有不良影響。優化SLM工藝參數可以調控構件中殘余應力的大小。其中，提高粉末床預熱溫度能有效地降低殘余應力，而減小掃描矢量長度、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力。島嶼掃描策略被認為是目前能最有效地控制殘余應力的掃描策略。在SLM制造過程中，要綜合考慮各種工藝參數的影響，從而保證構件的質量。然而目前，SLM工藝參數以及各參數之間的相互作用對SLM制造構件性能的影響研究還不夠全面。系統而完善的增材制造數據庫的建立需要科技工作者的共同努力。

隨著增材制造標準的制訂、材料基因組工程的完善，通過建立材料成分、工藝、組織、性能和結構形狀之間的模型來實現對SLM制造構件殘余應力、尺寸精度和力學性能的控制將成為可能。