选择性激光熔化制造金属构件残余应力的研究进展

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(上海工程技术大学材料工程学院，高温合金精密成型研究中心，上海 201620)

0 引 言

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是指基于计算机辅助设计(CAD)模型，采用逐层叠加方式制造具有复杂几何形状零部件的一种近净成形工艺[1]。增材制造技术打破了传统工艺的设计约束条件，提高了工艺的几何自由度以及材料的利用率，实现了零部件的个性化定制，大大降低了生产成本[2-3]。选择性激光熔化(SLM)技术是一种典型的增材制造工艺，该工艺通过高能量激光束选择性熔化及熔合金属粉末层来制造高密度的零部件[4-5]，所得金属零部件具有较低的孔隙率和良好的力学性能[6-7]。

然而，由于SLM工艺以高能激光束为热源对粉末层进行扫描，这种局部热输入造成了不均匀的温度场，引起了局部热效应，使得熔池在凝固和冷却过程中极易产生残余应力，因此SLM制造构件的内部会存在极高的残余应力[8-10]。残余应力的存在不仅会影响构件的尺寸稳定性，还会降低构件的屈服强度、疲劳强度和耐腐蚀性能，严重时会直接导致构件的脆性破坏[11-13]。通过迅速移除激光束产生的热量可减小残余应力，这就要求金属粉末材料具有足够高的导热性，但高导热性又会导致构件性能的下降[14]。因此，如何减小并消除激光增材制造构件中的残余应力而不降低其性能，一直是国内外激光加工领域的研究热点之一。

为了给相关研究人员提供参考，作者先简单介绍了在SLM制造过程中残余应力的产生机制和检测方法，随后综述了SLM工艺参数对构件中残余应力的影响以及降低或消除残余应力的研究进展，并对未来的研究方向进行了展望。

1 SLM制造过程中残余应力的产生机制

残余应力是指在无外力或外力矩作用下材料自身保持平衡的弹性应力，是零部件表面完整性的重要内容和技术指标[15]。在SLM制造过程中残余应力主要在加热和冷却两阶段产生。

在加热过程中，高能量激光束中心及其附近部位的金属粉末以远高于周围区域的升温速率被急剧加热并发生熔化形成熔池，受热影响的已成形部位发生膨胀，该热膨胀变形受到周围的约束，导致弹性热应力的产生；同时，受热影响的部位温度升高，导致该部位的屈服强度降低，某些部位的热应力会超过其屈服极限，因此熔池部分会形成塑性的热压缩应变。

在冷却过程中，熔池凝固时发生热收缩，该热收缩变形受到周围的限制，导致局部拉应力的产生，相应地在熔池下部会形成残余压应力与之平衡[16-17]。

2 残余应力的测试方法

残余应力对构件的力学性能、尺寸稳定性、组织稳定性和实际使用寿命等会有一定的影响，多数情况下为不利影响，因此残余应力的检测非常重要[17]。残余应力的测试技术发展至今已有数十种，常用的测试方法可以分为有损和无损两大类。

有损测试主要为机械方法，即将存在残余应力的部分从构件中分离出来，使应力释放，通过测试应变的变化来计算得到残余应力，主要包括钻孔法[18]、分割全释放法[19]、剥层法[20]等。有损测试会对构件造成一定的损伤，但其精度一般较高，且技术较成熟。无损测试主要为物理方法，即利用声、光、磁、电等在不损害或不影响被测对象使用性能的前提下测试残余应力，主要包括X射线衍射法[21]、同步辐射法[22]、中子衍射法[23]、磁测法[24]和超声波法[25-26]等。钻孔法和X射线衍射法是最常用的残余应力测试方法。钻孔法的测试原理简单、成本低、检测速率快，但只能用于测定平面应力，而且钻孔时易产生加工应变，对检测结果造成干扰；X射线衍射法检测速率快、数据可靠性高、应用范围广，但只能测试材料表层(几十微米内)的残余应力，不能很好地反映成形构件内部的应力状态。超声波法所用超声波的方向性好、穿透能力强，可以测试构件表面以及内部的残余应力，但精度较低，受材料各向异性、环境温度、探头与构件之间声耦合效应的影响较大；中子衍射法可以测得构件内部深度达厘米级范围内的应力分布，且精度较高，但是运行成本极高。

不同残余应力测试方法的适用范围差异较大，其测试深度有原子级、微米级、毫米级和米级，需要根据实际技术要求进行选择。

3 影响残余应力的SLM工艺参数

SLM制造过程是一个非常复杂的冶金过程，因此影响所制造构件内部残余应力的因素有很多，包括工艺参数、粉末状态、基板状态、成形路径、成形尺寸等[17]。冷却速率和温度梯度均随工艺参数的变化而变化，工艺参数选择不当可能会使成形构件中产生过高的热应力集中，导致性能下降，因此，SLM工艺参数的优化有利于减小成形构件内部的残余应力[27-31]。

SLM工艺参数较多，包括进程前参数、进程中参数和进程后参数，每种参数的变化都可能影响最终构件的性能。进程中参数可以用体积能量密度来统一体现，体积能量密度即单位体积内材料的平均施加能量，其计算公式为

(1)

式中：EV为体积能量密度；P为激光功率；v为扫描速度；h为扫描间距；t为金属粉层厚度。

适当地增大激光体积能量密度可以有效地提高成形构件的表面质量和相对密度。体积能量密度主要由激光功率、扫描速度、扫描间距、粉层厚度等参数决定，这些参数对残余应力的影响分析如下。

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，则熔池的尺寸增大、最高温度升高[32-35]。LI等[36]对AlSi10Mg合金进行了SLM成形研究，发现当激光功率从150 W增至300 W时，熔池尺寸增大，最高温度从937 ℃升高至1 817 ℃，温度梯度增大且越接近熔池则表面温度梯度增大得越显著，残余应力也随之增大。FU等[37]对在SLM制造Ti-6Al-4V合金构件过程中的三维温度变化进行了研究，发现随着激光功率的增大，熔池的宽度、长度以及深度几乎都呈线性增加，温度梯度急剧增大，构件内部的残余应力也随之增大。在不同激光功率下316L不锈钢熔覆层的残余应力为拉应力，且随激光功率的增大而增大[38]。

在SLM制造铝合金、钛合金和不锈钢等构件的过程中，随着激光功率的增大，熔池尺寸增大，激光束照射区域以及基材热影响区的热量增加，温度梯度增大，冷却时产生的残余应力也随之增大。因此，须根据材料的性能选择合适的激光功率，从而有效减小残余应力。

3.2 扫描速度

扫描速度是指单位时间内激光束移动的距离。与激光功率的影响相反，熔池的最高温度随扫描速度的增大而降低。在SLM制造AlSi10Mg合金构件的过程中，当扫描速度从100 mm·s-1增至400 mm·s-1时，熔池的冷却速率增大，尺寸减小，最高温度从1 483 ℃降至1 059 ℃，温度梯度从14.9 ℃·μm-1降低至13.5 ℃·μm-1，残余应力减小[36]。6061铝合金具有与AlSi10Mg合金相同的规律，即随着扫描速度的增大，熔池尺寸、温度、温度梯度和残余应力都降低[35]。龚丞等[38]、MANVATKAR等[39]和HUSSEIN等[40]在研究不锈钢的SLM成形过程时发现，当扫描速度增大时，熔池尺寸、温度和残余应力都降低。

以上研究结果表明，适当提高扫描速度可以降低SLM制造构件内的残余应力。在SLM制造过程中，随扫描速度的增大，单位时间内单位面积激光照射区域的热量减少，熔池尺寸减小，在快速加热和快速冷却过程中产生的温差降低，从而使残余应力降低。

3.3 扫描间距和粉层厚度

POHL等[41]研究了扫描间距对SLM制造Inconel 718高温合金构件残余应力的影响，发现当扫描间距从100 μm增加到300 μm时，残余应力下降，由残余应力引起的挠曲变形也减小。NADAMMAL等[42]对SLM制造Inconel 718高温合金构件的残余应力进行了研究，结果表明，随着扫描间距的增大，在构件顶层中线和边界线处的残余应力均下降。在SLM制造过程中，当扫描间距增大时，单位面积得到的激光能量减小，温度梯度降低，因此残余应力减小。

在SLM制造过程中，相同条件激光扫描下，随着粉层厚度的增大，单位面积上的粉末增多，熔池温度降低，从而使得冷却速率下降、残余应力降低。VAN BELLE等[43]在研究SLM制造马氏体时效钢构件内的残余应力时，发现当粉层厚度从20 μm增加到40 μm时，成形构件中的残余应力从700 MPa降低到200 MPa。此外，在SLM制造过程中，在两层之间的扫描停顿时间对构件的残余应力也有影响，停顿时间越短，即冷却时间越短，构件的残余应力越小，且分布越均匀。

3.4 扫描策略

SLM工艺常用的扫描策略有之字形连续扫描、岛屿扫描、分形扫描和螺旋扫描等4种[44]。之字形连续扫描是最传统的一种扫描策略。岛屿扫描策略将粉层划分成一个个更小的方块区域，如同一个个小岛屿，这些区域被单独并随机地扫描以实现更均匀的热量分布；在扫描过程中，每个岛屿可以被视为能够独立选择扫描策略的区域，通常相邻岛屿的扫描方向相互垂直，从而使每个粉层具有沿多个方向扫描的轨道，使得在一个方向上不存在主应力，从而减小SLM制造构件内部的各向异性；采用在每两层之间旋转(通常为90°)的扫描方案也可以产生类似的效果。分形扫描策略应用数学里的分形几何学进行扫描路径设置，这种扫描路径具有无限嵌套层次的精细结构，具有递归性，易于进行计算机迭代。螺旋扫描策略是指从粉层的外部开始一圈圈向中心扫描，或从中心开始一圈圈向外扫描的扫描策略。ZAEH等[45]研究了单向连续扫描策略、双向交叉扫描策略(之字形连续扫描策略)以及岛屿扫描策略对SLM成形悬臂构件的悬臂位置或是中心位置残余应力的影响，发现采用单向连续扫描策略成形构件内的残余应力最大，而采用岛屿扫描策略成形的最小。KRUTH等[46]也得到了相似的研究结果。PARRY等[47]研究发现，当扫描面积从1 mm2增加到3 mm2时，最大应力从189.3 MPa增加到305.2 MPa。GIBSON等[2]也报道了类似的结果，即增加扫描矢量长度会导致残余应力增大。与使用较长扫描矢量的连续扫描策略相比，采用岛屿扫描策略成形的构件表现出较低的残余应力。

除了岛屿扫描策略之外，分形扫描和螺旋扫描策略也已逐步成为传统连续扫描策略的替代方案。CATCHPOLE-SMITH等[48]提出了一种基于Hilbert和Peano-Gosper曲线的新型分形扫描方法，发现与采用传统岛屿扫描策略成形的构件相比，采用分形扫描策略成形构件的相对密度更高，残余应力分布更均匀。与传统的连续扫描策略相比，螺旋扫描策略可以减小扫描矢量的长度并改变每层内的矢量方向，但两种扫描策略成形构件的残余应力大小并没有明显差异[49]。在成形复杂形状构件时，螺旋扫描策略比连续扫描策略更优越；螺旋扫描策略更适用于处理曲率变化很大或每层不规则和不一致的复杂模型[50]。

3.5 粉末床预热工艺

在SLM制造过程中对粉末床进行预热可以降低残余应力，这是由于温度梯度的大幅度降低而导致的。VORA等[51]通过预热粉末床成功地降低了SLM制造AlSi12合金构件中的残余应力。ALI等[52]通过预热粉末床使Ti6Al4V合金构件中的残余应力降低了88.3%，在一定温度以下，粉末床预热温度与残余应力呈反比，但高于某一温度后，残余应力变化不明显。刘延辉等[53]研究认为：在激光增材制造TC4钛合金构件中存在较大残余应力的原因在于基板预热温度不够、散热速率快；在制造初始阶段，较低的预热温度使已成形层的残余应力增大，较大的残余应力与已成形层中存在的熔道不连续、飞溅、咬边等缺陷共同作用，导致构件根部裂纹的形成。ABE等[54]在SLM设备中配置了两台激光器来制造硬质合金工具，其中的一台激光器用于加热粉末床以降低残余应力。OSAKADA等[55]也在设备中额外配置了低功率激光器，当每层扫描完成后，再用低功率激光扫描对成形层进行再次加热，能使残余应力降低约55%。

目前，粉末床预热工艺被认为是在SLM制造过程中调节和控制残余应力的最有效方法之一，岛屿扫描策略则是能最有效地控制残余应力的扫描策略。

4 残余应力的降低或消除

降低或消除在SLM制造过程中产生的残余应力的方法主要包括采用合理的扫描策略、预热粉末床和进行去应力退火等，其中扫描策略和预热粉末床在上文中已进行了讨论。去应力退火是指将金属在低于再结晶温度下进行加热，以去除内应力，但仍保留冷却硬化效果的一种热处理，也称为低温退火。进行去应力退火时，成形构件在一定温度下通过内部局部塑性变形(当应力超过该温度下材料的屈服强度时)或局部弛豫过程(当应力小于该温度下材料的屈服强度时)使残余应力松弛而达到消除的目的。去应力退火并不能完全消除构件内部的残余应力，要使残余应力彻底消除，须将构件加热至更高温度，但这会引起显微组织变化。因此，去应力退火工艺需要根据材料性能和构件形状选择合适的加热温度和保温时间。

5 结束语

SLM制造过程是一个非稳态、极冷极热的瞬态过程，局部热输入必然会导致不均匀的温度场，使成形构件内部存留较大的残余应力；而残余应力对构件的性能有不良影响。优化SLM工艺参数可以调控构件中残余应力的大小。其中，提高粉末床预热温度能有效地降低残余应力，而减小扫描矢量长度、增大粉层厚度、减小激光功率、提高扫描速度和增大扫描间距等也均可在一定程度上减小残余应力。岛屿扫描策略被认为是目前能最有效地控制残余应力的扫描策略。在SLM制造过程中，要综合考虑各种工艺参数的影响，从而保证构件的质量。然而目前，SLM工艺参数以及各参数之间的相互作用对SLM制造构件性能的影响研究还不够全面。系统而完善的增材制造数据库的建立需要科技工作者的共同努力。

随着增材制造标准的制订、材料基因组工程的完善，通过建立材料成分、工艺、组织、性能和结构形状之间的模型来实现对SLM制造构件残余应力、尺寸精度和力学性能的控制将成为可能。