残余应力与3D打印：挑战、调控与应用前景

1、残余应力在3D打印中的产生机制残余应力是指当外部载荷移除后，仍残留在材料内部并保持自平衡的内应力。在3D打印，尤其是金属增材制造过程中，残余应力已成为影响零件质量和性能的关键因素。这些应力的形成源于制造过程中复杂的热-力-冶金耦合作用，其大小和分布直接影响着构件的变形、裂纹倾向及疲劳寿命。从热力学角度分析，金属3D打印过程中的极高温度梯度是产生残余应力的主要根源。以激光选区熔化(SLM)和激光熔化沉积(LMD)为代表的金属增材制造技术，涉及将金属粉末快速加热至熔化状态随后快速冷却的循环过程。当高能量激光或电子束扫描粉末床时，照射区域瞬间温度可达数千摄氏度，而周围材料仍保持较低温度。这种急剧的非均匀温度场导致材料局部膨胀和收缩程度不同，产生不均匀的塑性变形，从而在构件内部形成残余应力。值得注意的是，在激光粉末床熔融过程中，热循环和热积累会导致零件产生显著的残余应力和变形，对零件的成形精度带来极大影响。相变行为同样对残余应力产生重要影响。某些金属材料在加热和冷却过程中会发生固态相变，伴随体积变化。例如，钛合金从β相到α相的转变会引起体积膨胀，而不均匀的相变过程会导致局部体积变化差异，产生所谓的相变应力。西安交通大学的研究团队在3D打印单晶镍基高温合金的修复过程中发现，由于打印冷却速度快，容易造成高残余应力、高位错密度的亚稳态微观组织结构。这种亚稳态结构在标准热处理或服役过程中容易发生再结晶，导致材料高温力学性能下降。机械约束同样在残余应力产生中扮演重要角色。在3D打印过程中，已凝固的底层材料对新沉积层的约束会抑制其自由收缩，导致塑性变形并在界面区域产生显著的拉伸应力。这种约束效应在大型构件和具有复杂几何特征的结构中尤为明显。中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司在研究激光选区熔化TC4闭式叶轮的成形过程中发现，增材制造过程中的残余应力容易导致成型零件产生翘曲变形甚至裂纹缺陷。表1：3D打印中残余应力的主要产生机制3D打印过程中的残余应力分布具有一定的规律性。通常，表层区域多为压应力，而内部特别是近基底区域则常为拉应力。这种分布特征与制造过程中的热流方向和冷却条件密切相关。北京力学会的研究人员通过对3D打印中间支承圆筒热残余应力场的数值模拟发现，不同打印方式对热残余应力分布有显著影响【7】。这种残余应力的不均匀分布不仅会导致构件变形，还可能在应力集中区域引发裂纹，严重影响零件的机械性能和尺寸稳定性。2、残余应力的预测与模拟方法准确预测3D打印过程中的残余应力，对于优化工艺参数、控制零件变形和提高成品率具有重要意义。当前，针对残余应力的预测方法主要分为数值模拟和实验测量两大类，其中数值模拟以其成本低、周期短、能够提供全场应力分布等优势成为研究热点。在数值模拟方法中，热-弹-塑性模型被视为残余应力预测的最精确方法之一。该方法通过顺序耦合热分析和力学分析，全面考虑温度场对应力场的影响。热-弹-塑性模型能够精确描述材料在加热和冷却过程中的弹性变形、塑性变形及其不可逆行为，实现从微观熔池到宏观零件的多尺度模拟。然而，这种高精度是以巨大的计算资源为代价的。对于大尺寸或复杂结构的工业级构件，完整的熱-机械耦合模拟往往因计算难以收敛、耗时久等原因变得不切实际。例如，对工业级核电应急柴油机凸轮轴在LMD过程后的变形趋势预测，若采用完整的热-力耦合模型，计算成本将非常高昂。为解决这一难题，固有应变法作为一种高效预测方法被广泛采用。固有应变法的核心思想是将3D打印过程中由温度变化、相变等因素产生的非弹性应变(即固有应变)作为等效载荷，施加到弹性有限元模型中，从而大幅简化计算复杂度。中国激光杂志上发表的研究通过“热源-局部-结构件”三级递进模型，采用生死单元法模拟SLM成形层层叠加过程，并逐层施加固有应变，成功得到了宏观结构件SLM成形的变形趋势预测结果。研究表明，固有应变有限元法能够有效预测SLM成形件的变形量，且计算效率显著提高。近年来，修正的固有应变方法进一步提升了预测精度。这种方法考虑到3D打印过程的周期性，对连续两个打印层进行热-弹-塑性耦合分析，通过修正固有应变理论，提取3D打印过程等效的修正固有应变载荷，然后将这些载荷逐层施加到弹性有限元模型，实现3D打印过程高效模拟及残余变形精确预测。应用激光杂志上的研究表明，通过与3D打印完整过程热-固耦合分析及3D打印试验对比，验证了修正固有应变方法预测3D打印残余变形的精确性和高效性。在实验测量方面，多种技术手段可用于残余应力的定量分析。X射线衍射法是最为常用的无损测量方法之一，它基于晶体晶格间距的变化计算应力大小。《精密成形工程》上的研究利用X射线应力仪进行了3D打印铝合金样品表面残余压应力的测试分析。其他方法如盲孔法、中子衍射和同步辐射等也各具特色，分别适用于不同材料和精度要求。这些实验数据不仅可以单独用于应力分析，还能为数值模拟结果提供验证，提高模型的可靠性。表2：残余应力预测方法比较福建工程学院的研究团队在考虑3D打印残余应力的拓扑优化设计中，基于固有应变理论，研究了快速预测金属3D打印部件残余应力和变形的方法【6】。他们基于有限元及生死单元技术，施加等效固有应变载荷，模拟3D打印成型过程，通过对比有限元数值模拟残余变形与3D打印试验，获取等效的固有应变值，在此基础上研究3D打印残余应力分布特点。这种结合模拟与实验的方法为优化设计提供了可靠依据。3、残余应力的控制与优化策略面对3D打印中残余应力带来的挑战，研究人员开发了多种控制与优化策略，从工艺参数调整、扫描路径规划到支撑结构设计，形成了一系列行之有效的方法。这些策略的核心在于调节热输入和热耗散的平衡，以最小化不均匀塑性应变。3.1工艺参数优化激光功率、扫描速度、铺粉层厚等关键工艺参数直接影响熔池尺寸和温度分布，进而决定残余应力水平。研究表明，适当降低激光功率或提高扫描速度可以减少热输入，降低温度梯度，从而减小残余应力。然而，过低的能量输入会导致熔合不足，形成孔洞和未熔合缺陷;而过高的能量输入则可能引起过熔和球化现象。因此，寻找最佳工艺窗口是控制残余应力的首要任务。北京航空航天大学的研究团队采用最优运输无网格法结合粉末尺度模型直接模拟同轴送粉工艺中的强流固热耦合过程，预测成型结果的孔隙分布与形貌，并基于数据驱动思想探究工艺参数-孔隙的影响规律，结合多岛遗传算法获得设计空间内最佳工艺参数【5】。3.2扫描策略设计扫描策略的优化是控制残余应力的有效途径。不同的扫描路径会改变热积累模式和冷却条件，从而影响残余应力分布。中国激光杂志上的研究基于改进的固有应变理论，从热弹塑性模型中提取固有应变矢量并逐层施加至典型特征结构中，系统性地研究了四种扫描策略下特征结构的残余应力和变形分布【1】。研究发现，在不同扫描策略下，薄壁结构、悬臂梁和悬垂圆孔结构表现出相同的变形趋势，即扫描方向沿短边时变形最小。其原因一为扫描方向沿短边方向时扫描矢量长度较小，二为相同应力下短边变形小于长边变形，从而产生小的残余应力及变形【1】。应用激光杂志上的研究则进行了扫描路径的优化，通过对比6种扫描路径，发现层间来回交替扫描模式下的变形量最小【1】。这种扫描方式通过均匀化热输入，避免了局部热积累，从而减小了残余应力。此外，分区扫描和轮廓偏移扫描等策略也有助于优化应力分布，特别是在大平面构件中效果显著。3.3

支撑结构优化合理设计支撑结构是控制变形的关键手段。支撑不仅提供力学约束，防止零件在制造过程中发生过量变形，还作为散热通道，调节局部冷却速率。中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司的研究团队利用Simufact

Additive增材制造仿真模拟软件，对闭式叶轮成形过程的变形以及残余应力进行模拟仿真【5】。基于仿真结果，他们调整支撑的类型、尺寸、分布以及成形参数来调控支撑本体的力学性能，并使用微观CT等手段分析了支撑强度和孔隙率之间的关系。结果表明：支撑优化后，闭式叶轮内腔支撑去除后的表面粗糙度从原块体支撑的528μm降到了13μm，疲劳强度提高了约84.8%【5】。对于悬垂结构，增加支撑有利于减小翘曲变形，提高成形质量。然而，支撑会增加材料消耗和后处理难度，因此需要在支撑效果和成本之间寻求平衡。通过仿真驱动的支撑优化设计，可以实现精准支撑，即在关键部位布置适量支撑，既控制变形又减少资源浪费。表3：残余应力控制策略对比4、残余应力的消除与后处理技术即使采用最优的工艺参数和扫描策略，3D打印零件中仍不可避免会存在一定水平的残余应力。因此，后处理技术成为调控残余应力、提升零件性能的关键环节。根据作用机理不同，后处理技术可分为热处理、机械处理和复合处理三大类。4.1热处理技术热处理是最广泛应用的后处理方法，通过控制温度和时间促进材料内部原子扩散和位错重组，从而降低或消除残余应力。常见的热处理方式包括退火、热等静压和固溶时效处理等。相关文章指出，打印后进行热处理至关重要，因为它不仅涉及消除残余应力，而且还影响零件的机械特性，如抗弯曲性、延展性甚至最终硬度。对于金属3D打印零件，退火处理是最常见的应力消除方式。退火过程中，零件被加热到低于材料熔点的特定温度并保持一定时间，然后缓慢冷却。这一过程使材料发生回复和再结晶，显著降低位错密度，从而消除残余应力。对于金属，退火将有可能由于其再结晶而增加晶粒尺寸。退火的持续时间会对最终零件的结构产生影响：暴露在热量下的时间越长，其结构变化就越大【8】。热等静压则是一种更为先进的处理技术，它同时施加高温和高压，能有效闭合内部孔隙并消除残余应力。根据介绍，热等静压结合了非常高的温度和惰性气体的等静压，同时施加，增加了零件的密度及其电阻。该技术能消除所有内部空隙并消除残余孔隙，适用于对致密度和疲劳性能要求极高的零件【8】。西安交通大学材料学院团队针对3D打印单晶高温合金修复后的再结晶问题，开发了创新的“回复-固溶-时效”

热处理新流程【10】。他们发现，在固溶前增加“回复”步骤，可以消除再结晶驱动力。经过这一流程处理，高温合金的残余应力伴随微观组织γ′相的定向粗化而消除，且位错密度可降低至热处理前的5%左右，时效后沉淀强化γ′相达到与铸态基材相同水平【10】。这一发现突破了“单晶高温合金不具备回复能力”的经典认知，为3D打印高温合金的非标准热处理制度提供了理论依据。4.2机械处理与复合工艺机械处理方法如激光冲击强化、喷丸处理等，通过引入表层压应力来抵消原有的残余拉应力，从而提高零件的疲劳寿命。相关研究评估了不同激光冲击能量对3D打印铝合金表面残余应力和表面形貌的影响【2】。结果表明，合适的激光冲击能量可以在零件表面引入有益的残余压应力场，显著提高材料的疲劳性能。复合增材制造技术结合了增材制造与其他能量场或塑性变形方法，实现了在制造过程中实时控制残余应力。江苏大学鲁金忠教授团队在《极端制造》上发表的综述系统总结了复合增材制造技术的研究进展。该技术通过利用外部能量场或层间塑性变形方法，在金属增材制造过程中有引导性地调控熔池熔化、流动和凝固行为，或改变固化层晶粒成核、长大及再结晶过程，进而实现微观结构调控及机械性能强化【9】。论文全面梳理了基于性能控制的复合增材制造技术在残余应力拉-压转换、冶金缺陷闭合、微观结构调控、力学性能改善和各向异性优化的原理。5、航空航天领域的应用与挑战残余应力控制对航空航天领域3D打印构件的质量和可靠性至关重要。该领域通常使用钛合金、镍基高温合金等难加工材料，制造结构复杂、工况苛刻的关键构件，对残余应力控制提出了极高要求。5.1

典型应用案例航空发动机叶片修复是3D打印技术成功应用的典范。西安交通大学的研究团队针对单晶叶片3D打印修复后的再结晶难题，开发了新型热处理工艺【10】。航空发动机的叶片是由成本昂贵的单晶镍基高温合金制成，由于服役环境苛刻，容易受到局部损伤。3D打印凭借其“精准定位、可控增材”的特点在单晶叶片的修复/再制造领域展现出良好的应用前景【10】。通过创新的“回复-固溶-时效”热处理流程，成功解决了3D打印高温合金在标准热处理或服役过程中容易发生再结晶的问题，为航空发动机延寿、降成本提供了技术支撑。闭式叶轮作为航空发动机动力控制系统的关键部件，其3D打印制造也面临残余应力控制的挑战。中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司的研究人员针对激光选区熔化TC4闭式叶轮的成形过程，利用Simufact

Additive软件对变形及残余应力进行模拟仿真，并基于结果优化支撑方案。研究表明，通过合理的支撑优化设计，可以显著改善叶轮内腔的表面粗糙度和疲劳性能，为复杂结构件的增材制造提供了参考。5.2技术挑战与创新需求航空航天领域3D打印中的残余应力控制仍面临多项挑战。高性能材料的工艺适应性是首要问题，例如，高强铝合金、钛合金及镍基高温合金等对热输入极为敏感，工艺窗口窄，残余应力控制难度大。中冶有色网介绍的基于铝基复合材料的弱化3D打印件残余应力方法，通过离散预约束点扫描、分区岛状去热应力整体扫描、零件切面轮廓勾边扫描等步骤，显著降低了在零件和基板结合处的应力集中现象【3】。这种方法利用均匀分布的离散点极大程度上降低了应力水平，同时使得应力的分布更加均匀合理，消除了在激光3D打印铝基材料中极易出现的翘曲和变形现象。大型整体构件的变形控制是另一项严峻挑战。航空航天领域常采用大型整体结构件，如机身框架、机翼接头等，其尺寸庞大、结构复杂，制造过程中的累积残余应力导致的变形难以通过后校正消除。江苏大学鲁金忠教授团队指出，单一的增材制造技术难以满足复杂精细构件高质量制造需求，金属构件在连续加工过程中性能不稳定，如热循环累积、内部残余拉应力，阻碍其在标准化工业生产中的广泛应用。空间应用环境下的