增材制造残余应力的形成及其调控策略

增材制造（AdditiveManufacturing，AM）作为一种颠覆性的制造技术，因其能够以极少的材料浪费和更大的设计自由度生产具有复杂几何形状的结构件，已逐渐成为现代制造业中最具代表性和应用最广泛的工艺之一。与传统的减材加工（如切削、铣削、磨削等）相比，AM技术能够通过逐层堆积材料来实现近净成形（near-netshape），大幅度降低材料利用率不足和模具依赖所带来的限制。尤其在航空航天、医疗植入物和高端装备制造等领域，AM展现出显著的工艺优势和应用潜力。在众多增材制造技术中，基于激光的增材制造（Laser-basedAdditiveManufacturing，LAM）发展最为迅速，典型工艺包括激光定向能量沉积（LaserDirectedEnergyDeposition，L-DED）以及选择性激光烧结（SelectiveLaserMelting，SLM）等（图1）。能够迅速将金属粉末或丝材加热至熔融状态，随后使其在基板或熔池中快速凝固成形，进而逐层构建出复杂的三维零件。通过对激光功率、扫描策略以及沉积路径等关键参数进行精准且合理的调控，基于激光的增材制造技术不仅能够制备出致密度近乎达到100%的高性能金属零件，还能够实现对零件微观组织和宏观性能的精确可控调节。图1

典型LAM工艺：（a）激光定向能量沉积，（b）选择性激光烧结然而，在LAM过程中，强烈的热输入、熔池的快速凝固以及复杂的塑性变形行为相互交织，使得LAM制造部件面临一个显著问题，即零件内部存在高水平的残余拉应力。这些残余拉应力主要由温度梯度效应和固态收缩效应所引发。在激光扫描区域，材料经历局部的急剧加热与快速冷却过程，产生强烈的热应力集中现象。与此同时，熔池在凝固过程中发生的体积收缩以及相变过程，进一步加剧了应力的积累[2]。若这些残余应力未能得到有效释放，极有可能致使零件出现一系列严重的工艺缺陷。具体表现为材料分层、热裂纹的产生、翘曲变形以及宏观尺寸的改变等（图2）。更为重要的是，在实际服役条件下，残余拉应力可能成为零件过早失效的诱因。比如，在循环载荷作用下，残余拉应力与外加载荷相互叠加，降低了零件的疲劳寿命；在腐蚀环境中，残余拉应力会加速材料的腐蚀进程，导致零件的耐蚀性能下降。这些情况都显著削弱了零件的使用寿命和可靠性[3,4]。因此，如何对残余应力进行有效调控与缓解，已成为LAM技术研究与工程应用领域中的核心问题之一。图2LAM过程中由残余拉应力导致的缺陷：（a）翘曲，（b）局部开裂，（c）变形和分层，（d）宏观裂纹，（e）薄板过度变形当前，在缓解和控制LAM过程中所产生的残余应力方面，研究人员已经提出了丰富多样的策略，总体上可归纳为预处理、后处理以及原位处理这三大类别，接下来将对上述三种处理方法进行介绍。预处理预处理策略主要聚焦于对原材料或者基板进行预先处理，以此减轻残余应力的产生。例如，通过预热基板的方式，能够有效降低成形过程中的温度梯度[5]；或者通过对粉末颗粒度分布进行优化以及调整粉末成分，从而改善熔池的稳定性[6]。这些预处理手段能够在制造流程启动之前，就显著降低潜在的应力集中风险。例如，Ali

等人[5]在开展Ti6Al4V的选区激光熔覆（SelectiveLaserMelting,SLM）之前，对粉床实施了预热处理。通过系统对比不同预热温度条件下残余应力的变化情况，研究人员发现，当预热温度达到570℃及以上时，样品内部的残余拉应力能够得到有效消除（图3）。这一现象的内在机制在于，在激光熔融过程中进行高温预热，有助于减小热梯度，使得冷却过程更加可控，进而有效减少了组件内部残余拉应力的生成。图3

粉床预热温度对Ti6Al4V选择性激光熔融部件残余应力的影响

后处理目前，在增材制造领域，为了应对残余应力问题，常用的后处理方法主要涵盖热处理和表面处理。传统的热处理方式，虽能够有效地降低基于激光的增材制造（LAM）过程中引入的残余应力，但其弊端也较为明显，存在能耗高、加工时间长等问题。并且，由于增材制造构件的结构往往具有复杂的特点，在采用这类传统热处理时，会面临一定的挑战，难以充分发挥其优势。相比之下，电处理作为一种新兴的后处理技术，近年来在残余应力消除与微观结构调控方面得到了广泛的关注[7]。其基本原理在于，电流在材料内部产生的焦耳热效应与电塑性非热效应会协同作用，共同促进位错的迁移与湮灭。这种协同效应在微观层面能够实现材料组织的均匀化，在宏观层面则可以有效地调控残余应力。对于电处理在残余应力调控中的具体应用，本公众号前期发布的推文《残余应力消除法—电处理》已有详细的介绍，有兴趣的读者可以进行阅读。在针对增材制造构件的表面处理方面，其核心目标在于，在不损害增材制造复杂几何形状优势的前提下，降低构件表面的粗糙度，消除或者减轻表层存在的缺陷，引入有益的残余压应力，同时进一步提升构件的耐磨性、耐蚀性以及疲劳可靠性。在众多表面处理方法中，喷丸强化、激光冲击强化以及超声冲击强化等表面强化技术，能够对增材制造构件的近表面组织和力学性能产生显著的影响[8–10]。例如，华中科技大学叶畅团队[10]采用超声纳米晶表面改性（Ultrasonicnanocrystalsurfacemodification，UNSM）方法对增材制造316L不锈钢进行了处理。研究结果显示，超声冲击所产生的高应变率以及剧烈的塑性变形，有效地降低了构件表面的粗糙度，减轻了表层的缺陷（图4a-c）；与此同时，在构件的近表面区域引入了大约400μm的残余压应力（如图4d所示），并且形成了具有梯度特征的纳米结构组织（如图4e所示）。得益于这些表面强化效果，316L不锈钢的疲劳寿命得到了显著的提升（如图4f所示）。这充分展示了超声纳米晶表面改性技术在增材制造构件性能提升方面的巨大潜力。图4

增材制造316L不锈钢的孔隙率变化：（a）对照组（b）超声冲击处理样品；（c）不同UNSM工艺下的表面粗糙度；（d）UNSM

处理后的残余应力；（e）UNSM处理引入的纳米晶层；（f）增材制造316L不锈钢对照组与UNSM试样的疲劳寿命对比[10]

原位处理尽管热处理或表面处理这类后处理方法能够在一定程度上释放或重新分布增材制造过程中产生的残余应力，但它们通常会带来额外的工艺步骤。相比之下，原位处理是在零件成形过程中通过实时调控热–力学条件来减缓应力的积累。例如，可采用分区扫描策略、调整层间冷却时间[11]，或者在增材制造过程中引入外场辅助，如超声振动、超声冲击强化、激光冲击强化等[12–15]。图5给出了在激光增材过程中同步施加超声冲击强化（UltrasonicPeening，USP）或激光冲击强化（LaserShock

Peening，LSP）的示意图。通过原位强化处理，可以主动调控零件的残余应力分布以及微观组织演变，从而提高性能的均匀性和可控性。相较于传统的预处理和后处理方法，原位处理更符合高效、一体化制造的发展趋势，因此成为当前研究的重点方向。比如，为了抑制增材制造（AM）沉积层中粗大柱状晶的形成，南昌大学刘勇团队在钛合金激光沉积制造中引入了超声微锻造技术[12]，该方法在沉积过程中促进了材料的再结晶行为，不仅生成了等轴晶结构，还有效地细化了晶粒。然而，这种工艺需要强化工具（如超声头）与被强化区域直接接触（图5a），这增加了工艺控制的难度。图5

（a）超声冲击强化辅助增材制造[12]；（b）激光冲击强化辅助增材制造[15]相比之下，激光冲击强化辅助增材制造无需工具与材料直接接触（图5b），因此具有更高的加工精度和可控性，同时还能在材料内部引入更深层的残余压应力。例如，在Ti6Al4V的SLM过程中，由于高热梯度和快速冷却，试样表层容易产生显著的残余拉应力。而通过激光冲击强化的实时原位处理（SLM-LSP），可以在试样表层形成约0.9mm深的残余压应力层（图6）[16]。残余压应力的引入能够有效抑制裂纹的萌生和扩展，提高材料的疲劳寿命和服役可靠性。图6SLM处理和SLM-LSP处理试样的残余应力深度曲线[16]

综上所述，相较于预处理、传统热处理以及表面处理方法，原位外场辅助（如超声冲击强化与激光冲击强化）能够在AM中实现对应力与组织的主动控制，展现出高效与一体化制造