增材制造中的殘余應力對成品質量的影響

中圖分類號：TG665 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)24-0020-04

Abstract:Aditivemanufacturing(AM)technologyhasgraduallypenetratedintothefieldsofaerospaceandprecision instrumentswithitsdisruptivegeometricformingcapabilities.However，theunevendistributionofresidualstressandtheresulting failureoffinishedproductshavebecomethecorebotleneckrestrictingitsindustrialapplication.Inordertoanalyzthaction lawsandcontrolmechanismsofresidualstress，thisstudyexplorestheinfluenceofthedynamicinteractionofheatsource parameters，materialpropertiesandcolingprocessontheevolutionofresidualstressbasedonanexperimentaltestsystem.The resultsshowthatthenonlinearcouplingoflaserpowerandscaningspeedcausesthetemperaturegradientdiferencetoexceed thecriticalthreshold，causingthepeakresidualtensilestressof316Lstainlessstelsamplestobe423±16MPa；whilethe dispersionofthepowderparticlesizedistribution(whenD5O=35μm)causesthefluctuationamplitudeofthestressfieldto increase by 28%

Keywords:additive manufacturing (AM);residual stress; finishedproductquality;generation mechanism; evolution path

增材制造(AdditiveManufacturing，AM)技術以逐層累積的獨特成形機制，突破了傳統減材加工的幾何約束，賦予復雜拓撲結構構件以高效制備的可能性。然而，伴隨逐層熔融一凝固過程的反復熱循環與急劇溫度梯度，引發材料內部殘余應力的累積。當前研究多聚焦于殘余應力的離線預測與被動控制，如基于有限元仿真的工藝參數優化或熱等靜壓后處理。然而，這類方法難以應對制造過程中熱邊界條件的瞬時擾動與材料物性的動態變化。現行應力預測模型的平均誤差仍高達 25% ，且在鎳基高溫合金等熱敏感材料體系中，工藝窗口的狹窄性進一步制約了理論模型的工程適用性[2。鑒于此，本研究旨在解析不同合金體系在AM過程中的應力場演化路徑，通過引入裂紋擴展驅動力（ .ΔK) 與顯微織構取向度(ODF)等跨尺度表征參數，揭示應力集中區域與微觀缺陷的協同作用機制。

1增材制造殘余應力的生成機制

1.1熱源與工藝參數的主導作用

增材制造過程中殘余應力的形成本質源于熱-力耦合作用的動態失衡。以激光選區熔化（SLM）為例，高能熱源的瞬時輸入（功率密度可達 10⁶/mm². 使金屬粉末經歷快速熔融一凝固循環，局部溫度梯度高達 10⁴K/mm 。依據傅里葉熱傳導定律，當激光掃描速度從 800m/s 提升至 1200m/s 時，熔池冷卻速率由10% 躍升至 10% ，導致熱膨脹收縮行為的非均勻性被顯著放大]。

同時，工藝參數的交互作用具有非線性特征。如激光功率與掃描速度的比值 P/v 被視為熱輸入密度的核心指標：當 P/v<0.4J/mm 時，熔池連續性不足導致層間結合力下降，誘發孔隙與應力集中；……