陳 勇，陳 輝，姜亦帥，汪 倩，吳 影，熊 俊，董世運(yùn)

(1 西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2 陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

激光增材制造技術(shù)作為一種新興的制造技術(shù)已改變現(xiàn)有工業(yè)零部件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造方式。激光增材制造技術(shù)利用計(jì)算機(jī)將零件三維CAD模型進(jìn)行分層切片，以高能量密度激光束為熱源將材料熔化凝固，逐層堆積形成實(shí)體零件。激光增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的致密成形，綜合力學(xué)性能優(yōu)于鑄造件，可以顯著縮短制造周期，適用于新產(chǎn)品的開發(fā)、復(fù)雜零件的定制生產(chǎn)。激光增材制造技術(shù)主要包括同軸送粉式激光金屬沉積(laser melting deposition, LMD)技術(shù)[1]和鋪粉式選區(qū)激光熔化(selective laser melting, SLM)技術(shù)[2]。目前，激光增材制造技術(shù)已實(shí)現(xiàn)鐵基合金、鈦合金、鋁合金、鎳基高溫合金、鈷基合金、銅合金、鎢、金等金屬材料的加工[3-5]。隨著激光制造裝備技術(shù)的快速發(fā)展，激光增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、汽車制造和模具制造等領(lǐng)域。

在金屬激光增材制造過程中材料快速熔化凝固形成均勻致密的零件，材料將經(jīng)歷非平衡凝固、多層多道循環(huán)加熱及冷卻、固態(tài)相變過程，在非均勻溫度梯度和約束作用下，零件內(nèi)部將形成較大的熱應(yīng)力。同時，由于固定基板的約束和復(fù)雜零件成形過程中的支撐約束，變形受到限制而產(chǎn)生機(jī)械拘束應(yīng)力。針對高性能合金材料，特別是高性能合金鋼，因其合金成分多樣、凝固與固態(tài)相變過程復(fù)雜，凝固組織存在復(fù)雜的非平衡相和組織轉(zhuǎn)變，容易產(chǎn)生復(fù)雜的組織相變應(yīng)力。殘余應(yīng)力較大時將影響零件尺寸和拉伸、疲勞性能，嚴(yán)重的將導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形和開裂，見圖1[6-7]。

目前激光增材制造過程中的應(yīng)力變形控制主要依靠經(jīng)驗(yàn)、可重復(fù)性差，特別是高端裝備領(lǐng)域?qū)Υ笮蛷?fù)雜構(gòu)件的高精度、高質(zhì)量成形具有迫切的需求，因此，殘余應(yīng)力導(dǎo)致零件變形開裂的“控形”問題是激光增材制造過程中亟待解決的問題。本文將針對高性能金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)應(yīng)力變形的研究現(xiàn)狀、檢測方法、調(diào)控技術(shù)等方面的最新研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，提出目前存在的主要問題和今后的研究思路。

1 高性能金屬構(gòu)件激光增材制造應(yīng)力變形的研究

1.1 激光增材制造過程應(yīng)力變形的產(chǎn)生

金屬激光增材制造過程中，應(yīng)力的產(chǎn)生和演變規(guī)律與焊接過程相似，但由于激光增材多層堆積過程形狀結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度的差異會使冷卻過程不同，熱過程差異造成應(yīng)力演化、分布更加復(fù)雜。由于激光增材制造是一個極快速的熔化、凝固過程，且熔池尺寸較小，溫度、應(yīng)力變化過程較快，采用常規(guī)的測試方法無法對其過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時的精確測量。目前，研究者們多采用有限元仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法來研究激光增材過程殘余應(yīng)力和變形的產(chǎn)生、演變規(guī)律。

為了準(zhǔn)確高效地預(yù)測激光增材過程的應(yīng)力變形，學(xué)者對激光增材制造過程溫度場、應(yīng)力場的模擬做了很多研究。Wang等[8]采用有限元模擬和實(shí)驗(yàn)對比研究了激光選區(qū)過程工藝參數(shù)和掃描策略對應(yīng)力的影響，并對殘余應(yīng)力的形成機(jī)制進(jìn)行了討論，結(jié)果表明：應(yīng)力的形成主要是由于不均勻的溫度梯度分布和高溫下材料強(qiáng)度降低，引發(fā)塑性變形形成殘余應(yīng)力，多層溫度累積會減小底層殘余應(yīng)力。Heigel等[9]采用原位溫度、變形實(shí)時測量方法，結(jié)合有限元熱-應(yīng)力順序耦合模型，對TC4鈦合金激光沉積成形制造的熱-應(yīng)力演化過程進(jìn)行研究，對比分析了不同層間停留時間的溫度、應(yīng)力結(jié)果，結(jié)果表明較大的溫度梯度會形成大的殘余應(yīng)力和塑性變形。

鈦合金、鈷基合金和合金鋼等材料激光增材過程中，在一定的冷卻速率下組織轉(zhuǎn)變會發(fā)生固態(tài)相變。固相晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變會引起體積變化、屈服強(qiáng)度變化和相變塑性，同時相變過程釋放的相變潛熱會對溫度產(chǎn)生影響，熱過程-組織轉(zhuǎn)變-力學(xué)性能之間的交互作用都會對殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響。Fang等[10]研究了馬氏體不銹鋼激光沉積過程固態(tài)相變各相性能差異、體積改變和相變塑性對殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：固態(tài)相變過程對應(yīng)力的演變有顯著的影響，可以顯著減小縱向殘余拉應(yīng)力。Denlinger等[11]通過原位溫度、變形測量和應(yīng)力測試，結(jié)合有限元模擬結(jié)果對比分析了激光沉積成形Ti-6Al-4V鈦合金和625鎳基合金固態(tài)相變過程對應(yīng)力的松弛作用，結(jié)果表明：由于鎳基合金無固態(tài)相變轉(zhuǎn)變，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)擬合較好；鈦合金激光增材制造過程不考慮固態(tài)相變應(yīng)力，模擬結(jié)果誤差較大，考慮固態(tài)相變對應(yīng)力的松弛作用可以更準(zhǔn)確地模擬殘余應(yīng)力。大量研究結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算中若不考慮固態(tài)相變的影響會使殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值存在較大差異，因此為提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性需要闡明材料相變過程對應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律。

激光增材制造過程中成形零件是在基板上堆積成形，因此基板、支撐結(jié)構(gòu)對成形體的約束作用會影響應(yīng)力變形的分布。廖英嵐[12]對比研究了不同厚度基板對激光選區(qū)成形應(yīng)力的影響，材料在熔化凝固過程中，成形層的收縮會受到基板的約束作用，大厚度的基板對成形件的約束作用大，在成形層形成的殘余拉應(yīng)力也較大。其次研究了不同支撐結(jié)構(gòu)對應(yīng)力的影響，由于不同支撐結(jié)構(gòu)對成形件的約束作用不同，上層實(shí)體在冷卻收縮過程受到的限制不同，形成的殘余應(yīng)力也會有較大的差別。Zeng等[13]從傳熱角度分析了支撐結(jié)構(gòu)對激光選區(qū)成形過程溫度場的影響，支撐結(jié)構(gòu)的形狀、各向異性和獨(dú)特的導(dǎo)熱性能會影響熱傳導(dǎo)行為，通過優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)可以獲得較均勻的溫度場，有助于減小溫度梯度引起的殘余應(yīng)力和變形。綜上所述，激光增材制造應(yīng)力變形調(diào)控過程中需要考慮基板拘束和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過此方法可以減小變形量。

1.2 激光增材制造應(yīng)力變形仿真預(yù)測現(xiàn)狀

金屬激光增材制造過程殘余應(yīng)力變形的形成、演變過程機(jī)理的相關(guān)基礎(chǔ)理論研究已逐漸完善，為了實(shí)現(xiàn)激光增材過程中應(yīng)力變形的調(diào)控，目前的研究主要集中在激光增材應(yīng)力變形仿真預(yù)測分析，基于此為后續(xù)的應(yīng)力變形調(diào)控提供指導(dǎo)。有限元模擬計(jì)算對激光增材制造過程的應(yīng)力計(jì)算有巨大的優(yōu)勢，但是當(dāng)零件的尺寸較大時，有限元計(jì)算面臨計(jì)算量過大而無法滿足實(shí)際需要的情況。為了顯著提高有限元模擬的計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，針對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)激光增材過程應(yīng)力變形主要采用自適應(yīng)網(wǎng)格、固有應(yīng)變法、多尺度仿真分析等方法對其進(jìn)行研究。

Denlinger等[11]采用自適應(yīng)網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)激光選區(qū)增材過程的快速數(shù)值模擬，通過對熔池局部區(qū)域細(xì)網(wǎng)格的劃分可顯著減少網(wǎng)格數(shù)量，對比可知采用自適應(yīng)動網(wǎng)格計(jì)算速度可以提高432倍，同時溫度計(jì)算誤差小于5%，采用該方法可以實(shí)現(xiàn)激光增材過程的快速仿真計(jì)算分析。倪辰旖等[14]為解決激光選區(qū)成形熱彈塑性有限元計(jì)算效率低的問題，采用固有應(yīng)變法預(yù)測零件的變形，通過對熱源模型的校準(zhǔn)，建立熱源-局部-結(jié)構(gòu)件遞進(jìn)模型，可以較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變形的預(yù)測，同時大幅度提高計(jì)算效率。Afazov等[15]采用結(jié)構(gòu)有限元分析方法預(yù)測了激光選區(qū)成形大結(jié)構(gòu)部件的變形規(guī)律，并與成形結(jié)構(gòu)3D光學(xué)掃描進(jìn)行變形量對比，結(jié)果表明：采用該方法可以準(zhǔn)確、快速的預(yù)測大結(jié)構(gòu)的變形。Li等[16]通過建立多尺度有限元模型預(yù)測結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力變形，微觀尺度的激光熱源導(dǎo)入到粉層模型中，通過等效計(jì)算得到宏觀模型的溫度循環(huán)過程，結(jié)果表明多尺度模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果擬合良好。隨著金屬增材制造需求的增加，已有多款商用有限元分析軟件(Simufact Additive, ANSYS Additive, ABAQUS Additive, Autodesk Netfabb, ESI等)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力變形的仿真分析。MSC公司基于固有應(yīng)變方法開發(fā)了金屬3D打印仿真軟件MSC Simufact Additive，該軟件運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式得出固有應(yīng)變值，并逐層施加在成形件上，得到零件的應(yīng)力變形結(jié)果，可以進(jìn)行支撐優(yōu)化，預(yù)測熱處理、基板支撐去除對應(yīng)力變形的影響。ANSYS公司開發(fā)了ANSYS Additive激光增材制造應(yīng)力變形分析軟件，基于固有應(yīng)變法可以實(shí)現(xiàn)大結(jié)構(gòu)激光選區(qū)成形應(yīng)力變形預(yù)測、支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、變形補(bǔ)償，減少打印過程的錯誤。

目前激光增材應(yīng)力變形的仿真分析主要是基于熱應(yīng)力和熱應(yīng)變的分析，熔池內(nèi)部復(fù)雜的物理冶金過程及相變行為對增材過程溫度場、應(yīng)力場有顯著影響，需要進(jìn)一步考慮微觀冶金過程的影響，完善現(xiàn)有的仿真技術(shù)。激光增材制造過程缺陷的形成模擬及其對成形件變形和開裂的影響，也需要在激光增材控形中進(jìn)一步考慮。同時，大尺寸結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形的仿真效率和準(zhǔn)確度仍需提高，應(yīng)不斷完善多尺度仿真技術(shù)，滿足大結(jié)構(gòu)激光增材結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形的預(yù)測。

2 高性能金屬構(gòu)件激光增材制造應(yīng)力變形檢測技術(shù)

殘余應(yīng)力及變形控制一直是困擾大型結(jié)構(gòu)件激光增材制造成形的一大問題，殘余應(yīng)力和變形的測量技術(shù)對應(yīng)力演變、變形開裂行為的分析有著非常重要的意義。目前，測量殘余應(yīng)力主要的有損方法(DT)為：分割全釋放法，逐層切削法、電化學(xué)腐蝕剝層法，鉆孔法及基于鉆孔法的云紋干涉法和全息干涉法等；無損測試方法(NDT)有：X射線衍射法、磁性法、超聲法、中子衍射法等，各種方法的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍如表1所示[17-23]。變形量的測試方法主要有：位移傳感測量、曲率法、全息成像技術(shù)、三維光學(xué)動態(tài)應(yīng)變測量、全場應(yīng)變測量系統(tǒng)(DIC)等方法。

Denlinger等[11]為對比研究激光沉積成形鈦合金、鎳基合金過程層間保溫時間對應(yīng)力變形的影響規(guī)律，采用激光位移傳感器測量了激光沉積成形過程中的變形情況，采用鉆孔法測試了最終成形件的殘余應(yīng)力值。Salmi等[17]采用鉆孔法研究了熱處理和噴丸處理對鋁合金激光選區(qū)成形件殘余應(yīng)力的影響。采用有損方法可以對激光制造成形件殘余應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確測量分析，但是會對激光成形件造成一定程度的破壞，因此此類方法適用于實(shí)驗(yàn)室研究中，不適用于激光增材成形件殘余應(yīng)力的實(shí)際生產(chǎn)檢測。

殘余應(yīng)力的無損檢測將為改進(jìn)激光增材制造工藝、減小應(yīng)力后處理措施提供重要支持。X射線法主要用于材料表面二維應(yīng)力的測量，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡單，因此可實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)表層應(yīng)力的測試分析。Liu等[18]用X射線衍射法測試分析了316L不銹鋼激光選區(qū)成形的殘余應(yīng)力，探討了熱輸入和掃描策略對橫向縱向殘余應(yīng)力分布的影響。超聲波法是利用超聲波波速與應(yīng)力之間的關(guān)系來測量殘余應(yīng)力，具有穿透能力強(qiáng)、無損、快速等特點(diǎn)。董世運(yùn)等[19]以激光熔覆再制造試樣為研究對象，采用超聲瑞利波結(jié)合靜載拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了內(nèi)部組織和初始應(yīng)力狀態(tài)對激光熔覆層應(yīng)力的影響，經(jīng)過應(yīng)力校準(zhǔn)后超聲應(yīng)力測試結(jié)果在可接受的范圍。超聲波法存在超聲波易受環(huán)境溫度、組織缺陷(包括織構(gòu)、位錯密度、晶粒尺寸等)和微觀缺陷的影響，因此需要對其進(jìn)行修正處理才能保證測量精度。中子衍射法由于其穿透能力強(qiáng)，因此可測定材料內(nèi)部的應(yīng)力獲得三維應(yīng)力分布。An等[20]針對激光粉床成形625鎳基合金葉片，采用中子衍射技術(shù)測試葉片的整體應(yīng)力分布，結(jié)果表明成形葉片頂部和底部為拉應(yīng)力，中部為壓應(yīng)力分布。Wang等[21]采用原位中子衍射方法分析了激光增材成形鎳基合金高溫退火過程的應(yīng)力演變規(guī)律，隨著時間的增加殘余應(yīng)力逐漸減小，一定時間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但是，中子衍射儀成本較高，在一定程度上限制了其使用范圍。此外，隨著測試儀器技術(shù)的發(fā)展，也有一些新的測試方法用于殘余應(yīng)力的測量。納米壓痕應(yīng)力測定法是借鑒盲孔法的應(yīng)變測量思想，基于應(yīng)力場干涉理論進(jìn)行殘余應(yīng)力的測量。Zhu等[22]采用納米壓痕法測試了激光熔覆鐵基涂層全厚度的殘余應(yīng)力，結(jié)果顯示隨著深度的增加殘余應(yīng)力逐漸增大。納米壓痕法對測試表面平整度有一定的要求，同時其測試準(zhǔn)確性受到材料塑性變形能力的影響，因此該技術(shù)仍需要不斷完善理論計(jì)算模型提高測試準(zhǔn)確度。激光超聲波法利用激光作為激發(fā)源產(chǎn)生剪切波和縱波來測量材料的殘余應(yīng)力，具有無損、可測任意深度應(yīng)力、空間分辨率高等特點(diǎn)。Zhan等[23]采用激光超聲波法測試了合金鋼焊縫的殘余應(yīng)力分布，測試結(jié)果與鉆孔法結(jié)果一致，該方法具有較好的應(yīng)用前景。

激光增材過程中成形件的變形將影響鋪粉均勻性以及后續(xù)成形的尺寸精度，所以變形量的檢測和控制也需要特別關(guān)注。Sabine等[24]通過對表面形貌進(jìn)行掃描測量，基于梁形曲率法計(jì)算可以得到表面尺寸偏差，實(shí)現(xiàn)激光選區(qū)成形件變形量的準(zhǔn)確測量。Peter等[25]采用全息成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了激光熔化不銹鋼表面過程的實(shí)時變形檢測，測試精度可達(dá)微米級。Lundb?ck等[26]采用三維動態(tài)光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個沉積成形過程中的變形測量，通過反饋控制可實(shí)現(xiàn)成形過程沉積體積和成形形狀的控制。Biegler等[27]采用全場應(yīng)變測量系統(tǒng)(DIC)實(shí)現(xiàn)激光沉積成形過程變形的原位測量，結(jié)合數(shù)值模擬可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)變形的預(yù)測。

以上殘余應(yīng)力變形測試方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇一種或多種測試方法進(jìn)行測量研究。由于激光增材制造的殘余應(yīng)力、變形是一個逐漸累積、重分布的過程，對其過程的實(shí)時監(jiān)測進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)反饋控制將是未來研究的主要方向。金屬增材制造制件的組織和缺陷特征也與傳統(tǒng)制件不同，主要表現(xiàn)為組織的不均勻性以及明顯的各向異性，加之主要缺陷類型及分布特征均與傳統(tǒng)制件差異較大。因此，必須針對金屬增材制造成形件的特殊性開展相應(yīng)的檢測方法及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的研究。

3 高性能金屬構(gòu)件激光增材制造應(yīng)力變形調(diào)控技術(shù)

激光增材制造過程中由于溫度梯度較大且凝固行為復(fù)雜，較大的熱應(yīng)力是引起成形結(jié)構(gòu)變形、開裂的主要原因，其次復(fù)雜的材料成分、凝固過程、材料組織形態(tài)、力學(xué)性能等均對應(yīng)力開裂行為有較大的影響，因此為了解決激光增材過程中溫度梯度大、材料易開裂等問題，研究人員已開發(fā)多種方法用于控制激光增材成形件的應(yīng)力變形問題。

3.1 粉體材料設(shè)計(jì)調(diào)控應(yīng)力變形

金屬激光增材制造過程中的應(yīng)力變形行為與材料的凝固過程、塑性變形能力、相變行為等相關(guān)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)材料的組分，可以從根本上改變材料的凝固溫度點(diǎn)、相變溫度點(diǎn)，進(jìn)而改變激光增材金屬凝固過程熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的形成；此外新材料的設(shè)計(jì)開發(fā)可以改變材料的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)，通過改變傳熱行為影響溫度梯度分布及膨脹收縮行為實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力的調(diào)控。

Pratik等[28]研究了低熔點(diǎn)共晶Al-Si合金激光選區(qū)成形過程的成形特性，采用混合粉末代替預(yù)合金粉末，由于低熔點(diǎn)共晶材料原位合金化過程溫度較低，通過控制工藝參數(shù)和基板預(yù)熱溫度可以使熔池金屬保持半固態(tài)狀態(tài)，有利于應(yīng)力的釋放和減小變形，通過此方法可以獲得低應(yīng)力、無支撐結(jié)構(gòu)成形。方金祥[29]通過調(diào)整合金元素配比實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)合金鋼葉輪激光熔覆再制造過程殘余應(yīng)力的調(diào)控，通過調(diào)整Mo、Nb、稀土元素含量保證材料的強(qiáng)韌性；同時降低C含量、提高Ni含量，降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)，相變過程的相變塑性及相變體積效應(yīng)使拉應(yīng)力得到釋放，達(dá)到降低修復(fù)過程殘余應(yīng)力的目的。顧冬冬等[30]開發(fā)了一種具有奧氏體-馬氏體相變轉(zhuǎn)換的鐵基復(fù)合粉末，以WC陶瓷顆粒為奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變控制劑，WC陶瓷顆粒的溶解及W原子的固溶將降低馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，通過改變激光選區(qū)成形的工藝參數(shù)控制冷卻速率，從而促進(jìn)相變誘導(dǎo)過程，有助于減小應(yīng)力變形，同時WC增強(qiáng)相抑制裂紋擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄壁鐵基零件的超高精度成形。

目前通過材料成分設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)力變形調(diào)控的相關(guān)研究仍較少，未來隨著金屬激光增材制造材料體系的完善和新材料的開發(fā)，例如設(shè)計(jì)ZrC-SiC、石墨烯等增強(qiáng)復(fù)合材料，通過改變其傳熱行為、膨脹收縮行為、相變過程，減小應(yīng)力與變形的累積，從材料基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)激光增材應(yīng)力變形的調(diào)控。

3.2 工藝參數(shù)調(diào)控應(yīng)力變形

激光增材制造過程是一個周期性、非穩(wěn)態(tài)、短時非平衡循環(huán)過程，激光功率、掃描速率、粉層厚度、層間溫度、掃描策略等參數(shù)通過影響成形件的溫度歷程，影響成形件應(yīng)力變形的演化。激光增材制造過程通過優(yōu)化工藝參數(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。

Wang[31]采用有限元模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，研究了激光沉積成形工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合良好。成形件頂層殘余應(yīng)力隨掃描速率增大、激光功率減小、送粉速率增加及預(yù)熱溫度升高各自呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。Mugwagwa等[32]研究了激光選區(qū)成形過程中激光功率、掃描速率、粉層厚度對成形件變形的影響規(guī)律，結(jié)果表明：減小粉層厚度可以減小變形量，增大掃描速率，變形量增加，激光功率對變形量的影響不顯著，因此可以通過控制粉層厚度和掃描速率實(shí)現(xiàn)應(yīng)力變形的調(diào)控。Denlinger等[11]通過激光沉積成形過程原位變形測試，分析了鎳基合金、鈦合金多層堆積層間停留時間對應(yīng)力變形的影響規(guī)律，鈦合金成形過程中減少停留時間有助于減小殘余應(yīng)力與變形，相反鎳基合金通過增加停留時間有助于減小殘余應(yīng)力與變形。

激光增材制造過程中成形掃描策略會影響溫度循環(huán)過程、溫度梯度分布、應(yīng)力累積，通過優(yōu)化掃描策略可以改善應(yīng)力分布、減小應(yīng)力集中。楊光等[33]通過實(shí)驗(yàn)與有限元仿真相結(jié)合研究了不同激光掃描路徑對激光沉積成形件應(yīng)力與變形的影響，采用長邊和短邊掃描時最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在基體兩端，長邊掃描成形件變形最大；采用層間交錯掃描方式殘余應(yīng)力較低且分布均勻，變形量較小。Cheng等[34]采用三維有限元模型分析了激光選區(qū)成形不同掃描策略成形件的溫度、應(yīng)力和變形分布規(guī)律，結(jié)果表明：由外向內(nèi)掃描成形殘余應(yīng)力最大，45°線性掃描可以顯著減小殘余應(yīng)力與變形，由內(nèi)向外掃描成形的變形最大；由于模型尺寸較小，此模擬計(jì)算結(jié)果僅適用于其設(shè)定的模擬條件。Haider等[35]通過實(shí)驗(yàn)測試分析了掃描策略對應(yīng)力及力學(xué)性能的影響規(guī)律，其中90°交替掃描策略的殘余應(yīng)力最小，分塊掃描策略殘余應(yīng)力較大；采用分塊掃描策略時，增大區(qū)塊掃描線長度殘余應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢，分塊掃描相鄰區(qū)域改變掃描方向可以減小殘余應(yīng)力，掃描策略的改變對性能的影響不顯著。

3.3 預(yù)熱緩冷及重熔調(diào)控應(yīng)力變形

激光增材制造過程中熱應(yīng)力主要是由于不均勻的溫度梯度分布和快速冷卻凝固造成的，因此為了解決溫度梯度較大的問題，研究人員提出了采用基板預(yù)熱、成形倉體氣氛預(yù)熱、多光束、耦合光束、光束重復(fù)掃描等多種方法，如圖2所示[36-37]。激光增材制造過程通過控制激光增材過程的溫度梯度，可實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力變形的調(diào)控。

卞宏友等[38]采用有限元模擬研究了基板預(yù)熱對激光沉積修復(fù)高溫合金的溫度場和殘余應(yīng)力的影響，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果吻合較好，隨著基板預(yù)熱溫度增加，溫度梯度逐漸減小，熱應(yīng)力顯著減小。Damien等[39]對比分析了不同基板預(yù)熱溫度對激光選區(qū)成形鋁合金變形的影響，基板預(yù)熱溫度為150℃時，成形件變形量顯著減小；預(yù)熱溫度升高至250℃時，基本檢測不到變形量。Hagedorn等在激光選區(qū)成形陶瓷材料過程中采用輔助激光束局部預(yù)熱粉床，預(yù)熱溫度達(dá)到1600℃以上，可顯著減小溫度梯度防止熱應(yīng)力的形成，最終獲得高致密度、無裂紋的實(shí)體[40，36]。段宣明等[41]提出了一種新型的雙波長激光選區(qū)成形方法，通過將兩個波長光斑耦合為同軸共光斑，短波長光束用于選擇性熔化粉末，長波長光束用于預(yù)熱和后續(xù)熱處理，有助于減小溫度梯度，實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的控制。Liu等[37]采用閉環(huán)溫度加熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光增材制造過程成形倉體溫度的整體預(yù)熱，可以實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的無裂紋成形。Papadakis等[42]基于有限元模擬對比了激光選區(qū)成形三種預(yù)熱方式(成形倉體氣氛預(yù)熱、成形基板預(yù)熱、激光預(yù)掃描預(yù)熱)的能量效率，激光預(yù)掃描預(yù)熱適合于成形小體積實(shí)體，成形倉體氣氛預(yù)熱、成形基板預(yù)熱適用于成形大結(jié)構(gòu)實(shí)體。

Furumoto等[43]研究了激光選區(qū)成形過程中激光前后重熔掃描對成形件殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：采用激光前預(yù)熱處理可以顯著減小殘余應(yīng)力和變形；采用激光重熔掃描可以顯著減小成形件表面的殘余應(yīng)力與變形，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘余應(yīng)力影響較小。Mercelis等[44]在激光選區(qū)成形過程中每層采用50%的能量進(jìn)行重復(fù)掃描可以減小30%的殘余應(yīng)力。Shiomi等[45]的研究結(jié)果也表明激光成形過程中每層采用150%的能量進(jìn)行重復(fù)掃描可以減小55%的殘余應(yīng)力。Haider等[35]研究了鈦合金激光選區(qū)成形過程激光重復(fù)掃描對成形件殘余應(yīng)力的影響，采用150%能量密度重復(fù)掃描可以減小殘余應(yīng)力，但會造成表面氧化和力學(xué)性能劣化。

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

激光增材成形過程中，由于成形基板、支撐結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)自身的約束作用，同時由于成形結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)對成形過程中導(dǎo)熱的影響，對成形實(shí)體會產(chǎn)生機(jī)械拘束應(yīng)力并會影響整體殘余應(yīng)力的分布。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化改變材料分布使結(jié)構(gòu)過渡均勻、支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小應(yīng)力變形，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來減小或改善殘余應(yīng)力的分布是一種新的應(yīng)力調(diào)控思路。

付興領(lǐng)等[46]研究了激光立體成形過程中基板預(yù)變形處理對成形件殘余應(yīng)力與變形的影響規(guī)律，結(jié)果表明：激光立體成形過程中基板預(yù)變形對成形件的變形量影響最顯著；成形件堆積過程中上部的殘余應(yīng)力變化規(guī)律為先增大后減小；通過基板預(yù)變形可以顯著改善成形件的變形，減小殘余應(yīng)力。Mishurova等[47]研究了鎳基合金激光選區(qū)成形支撐結(jié)構(gòu)對應(yīng)力變形的影響規(guī)律，結(jié)果表明：與直接實(shí)體成形相比支撐結(jié)構(gòu)可以有效地減小殘余應(yīng)力，但會在基板切除后引入較大的變形量，因此需要綜合考慮支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)添加。Calignano[48]針對鋁合金、鈦合金懸臂結(jié)構(gòu)激光選區(qū)成形過程，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)研究其對成形件變形的影響，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)：支撐齒高、齒寬、齒間距、齒底寬等參數(shù)，獲得鋁合金、鈦合金不同的支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化后的支撐結(jié)構(gòu)可顯著減小成形件的變形。ANSYS Additive激光增材有限元分析軟件，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)激光成形過程應(yīng)力變形的預(yù)測，同時基于變形結(jié)果進(jìn)行模型變形補(bǔ)償，通過結(jié)構(gòu)預(yù)先補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)成形件的變形控制，如圖3所示。

3.5 輔助外場調(diào)控應(yīng)力變形

激光增材制造過程中通過控制工藝參數(shù)、掃描策略等方式只能在一定程度上改善殘余應(yīng)力的分布、減小殘余應(yīng)力，但是由于激光增材多層堆積過程應(yīng)力的累積，特別是復(fù)雜大結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布復(fù)雜、應(yīng)力累積較大，因此結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)極易造成成形結(jié)構(gòu)的變形開裂。為了進(jìn)一步控制殘余應(yīng)力變形，研究人員把其他物理能量場，如超聲波、磁場、激光沖擊波引入到激光增材制造過程中[49-55]，對激光增材熔池凝固行為進(jìn)行輔助干預(yù)，改變其微觀組織和應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)激光增材制造應(yīng)力變形的調(diào)控。

超聲在材料加工中有極大的應(yīng)用潛力，由于超聲具有振動、空化作用，能夠在一定程度上改善材料加工過程的微觀組織、應(yīng)力分布狀態(tài)，因此可以將超聲應(yīng)用于激光增材制造過程中，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力變形的輔助調(diào)控。欽蘭云等[49]將超聲引入到鈦合金激光沉積成形過程中，超聲振動通過影響組織凝固行為，能夠顯著降低成形件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。王潭等[50]通過超聲振動輔助激光成形鎳基合金，并對其成形質(zhì)量、殘余應(yīng)力和力學(xué)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明：引入超聲振動后有助于激光熔池溫度的均勻分布，降低晶界位錯能量使材料處于較穩(wěn)定狀態(tài)，從而使殘余應(yīng)力均勻化、減小殘余應(yīng)力累積。Zhang等[51]研究了超聲沖擊輔助激光選區(qū)成形過程的殘余應(yīng)力、缺陷、組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，超聲沖擊后成形件內(nèi)部缺陷顯著減少，同時可以顯著減小殘余應(yīng)力。

電磁攪拌是利用電磁感應(yīng)原理形成電磁力場，電磁力通過對熔體進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌作用，從而改變金屬液在凝固過程中的溫度場、溶質(zhì)場、流場等，達(dá)到改善材料性能的目的，已在鑄造、焊接和熔覆中得到較多的應(yīng)用。孫杰等[52]采用實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值模擬相結(jié)合研究了電磁輔助激光沉積成形過程電磁場對殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：同步軸向電磁力可以較好地減小成形件的內(nèi)部殘余應(yīng)力。Hitomi等[53]研究了輔助磁場對激光選區(qū)成形件表面殘余應(yīng)力的影響，通過處理有助于減小表面粗糙度，同時表面殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。

激光沖擊表面處理技術(shù)采用高功率密度、短脈沖的激光作用于金屬表面，使金屬氣化形成高溫、高壓等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光能量升溫膨脹，然后爆炸形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面，使材料發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時大幅度提高材料的力學(xué)性能。目前已有研究人員將激光沖擊技術(shù)與激光增材制造過程相結(jié)合，改善成形件的應(yīng)力累積和分布。Kalentics等[54]通過改變脈沖時間和光斑大小可實(shí)現(xiàn)3D激光沖擊強(qiáng)化，并將其應(yīng)用于激光選區(qū)成形過程中，可形成較大的殘余壓應(yīng)力。與傳統(tǒng)的激光沖擊技術(shù)相比3D激光沖擊可以形成更大的殘余壓應(yīng)力和壓應(yīng)力層深度，適用于激光增材多層堆積成形過程應(yīng)力的調(diào)控。Guo等[55]研究了激光沖擊強(qiáng)化對激光沉積成形鈦合金成形件殘余應(yīng)力的影響，經(jīng)過沖擊強(qiáng)化以后，材料表面的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力(200MPa)，且壓應(yīng)力層深度可達(dá)0.7mm，同時可提高材料的力學(xué)性能。

3.6 后處理調(diào)控應(yīng)力變形

激光增材成形結(jié)束后內(nèi)部仍存在大量的殘余應(yīng)力，在支撐、基板去除后成形結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變形甚至開裂。為使增材結(jié)構(gòu)件滿足后期尺寸及使用性能要求，需要對其進(jìn)行后處理減小殘余應(yīng)力、提高力學(xué)性能，常用的后處理技術(shù)主要有整體/局部退火熱處理。后熱處理工藝是目前減小激光增材結(jié)構(gòu)整體殘余應(yīng)力最有效的措施。

卞宏友等[56-57]采用感應(yīng)加熱系統(tǒng)對激光成形修復(fù)試件進(jìn)行局部去應(yīng)力退火熱處理，局部熱處理后殘余應(yīng)力降低30%以上，同時由殘余應(yīng)力引起的端部變形量也顯著減小，采用此方法可以解決大型結(jié)構(gòu)整體熱處理困難、效率低等問題。Song等[58]研究了真空退火處理對鐵基材料激光選區(qū)成形件殘余應(yīng)力、組織性能的影響，經(jīng)過熱處理成形件的拉應(yīng)力得到釋放，剩余殘余應(yīng)力幾乎為零，殘余應(yīng)力作為再結(jié)晶的驅(qū)動力使晶粒尺寸細(xì)化，材料的強(qiáng)度性能得到提升。

目前，針對激光增材殘余應(yīng)力變形問題，通過優(yōu)化工藝參數(shù)、改變成形路徑及基板預(yù)熱是在激光增材制造過程中控制殘余應(yīng)力的最有效方法。采用激光沖擊、超聲沖擊技術(shù)可以改善表面殘余應(yīng)力，但是激光沖擊、超聲沖擊法只能用于減小表面應(yīng)力，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力的控制具有很大的限制。后熱處理工藝是增材結(jié)構(gòu)件成形后減小整體殘余應(yīng)力的常用措施，針對不同的材料需要詳細(xì)研究其對應(yīng)力及組織性能的影響。采用材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)改善殘余應(yīng)力累積及分布的相關(guān)理論技術(shù)逐漸應(yīng)用于新型結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形調(diào)控。多光束耦合、輔助磁場超聲場等技術(shù)由于設(shè)備限制多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中，在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用較少，未來隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟，將有更多的技術(shù)應(yīng)用于激光增材制造。

4 結(jié)束語

隨著激光增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，殘余應(yīng)力引起的變形開裂問題將限制其廣泛應(yīng)用，因此，開展激光增材制造殘余應(yīng)力變形調(diào)控技術(shù)的研究有著非常重要的意義。今后激光增材制造應(yīng)力變形調(diào)控的研究可集中在以下方面：

(1)針對高性能金屬材料進(jìn)一步深化研究激光增材過程熱-凝固-應(yīng)力變形演化行為及耦合機(jī)制，建立激光增材成形結(jié)構(gòu)的開裂判據(jù)，并提出相應(yīng)的應(yīng)力調(diào)控方法及預(yù)防變形開裂的工藝準(zhǔn)則。

(2)結(jié)合結(jié)構(gòu)件服役需求，基于材料基因組技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)新型的低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)韌的金屬材料、金屬基復(fù)合材料、梯度材料等；同時充分發(fā)揮激光增材可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中考慮結(jié)構(gòu)因素對結(jié)構(gòu)增材制造過程應(yīng)力變形及使用性能的影響。

(3)開發(fā)新型的多激光耦合技術(shù)、激光陣列成形技術(shù)、激光復(fù)合增材制造技術(shù)，在金屬結(jié)構(gòu)件成形過程中控制殘余應(yīng)力的疊加累積；同時結(jié)合過程監(jiān)測控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程應(yīng)力變形檢測，建立相應(yīng)的調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)激光增材制造過程應(yīng)力變形的實(shí)時調(diào)控。

(4)進(jìn)一步完善激光增材制造殘余應(yīng)力變形的檢測技術(shù)，提高殘余應(yīng)力測試精度和三維殘余應(yīng)力檢測能力；開發(fā)激光增材制造多物理場、多尺度數(shù)值模擬技術(shù)，提高激光增材應(yīng)力變形的準(zhǔn)確性及計(jì)算效率，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、工藝預(yù)測、組織性能預(yù)測等激光增材“全鏈條”制造過程。