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；而 P/v<0.6J/mm 時，過高的熱輸入則引發匙孔效應，促使深層熔池內蒸氣反沖壓力產生微米級氣孔，進一步加劇應力場復雜化[。

1.2材料固有特性的影響

材料的物理屬性與微觀結構演化對殘余應力的形成機制具有深遠影響。以熱膨脹系數（CTE)為例，鈦合金 (CTE:8.6×10^-6K^-1) 與馬氏體時效鋼 10^-6K^-1， 因CTE差異，其固化收縮過程中產生的熱錯配應力顯著不同。在相同工藝條件下，馬氏體鋼的殘余應力水平較鈦合金高 32% 以上，與材料凝固收縮時的體積變化直接相關。

粒徑分布參數D10/D90的離散性會顯著改變鋪粉層的熱傳導效率。例如，當Ti-6Al-4V粉末的D50由 25μm 增至 45μm 時，因顆粒間接觸面積的減少，單層導熱系數下降 18% ，導致熔池下方的熱積累效應增強，XRD測試顯示底層殘余壓應力值增加 47% 。這種傳熱行為的非均勻性在多層沉積過程中呈現累積效應，最終可能在界面處形成超過臨界斷裂韌性的應力強度因子，誘發表面微裂紋的形核與擴展。

2 研究方法

2.1 研究設計

實驗部分基于選區激光熔化（SLM）設備（EOSM290)構建多組對照實驗：通過設計全因子正交實驗矩陣（3因素 ?×5 水平），涵蓋激光功率(200W）掃描速度（ 1600mm/s 與層厚（ 20～60μm )等關鍵工藝參數空間，同步采用同步輻射X射線衍射（ESRFBeamlineID15A)對316L不銹鋼試樣進行原位殘余應力三維分布表征。數值模擬方面，開發了基于ABAQUS的熱一力耦合瞬態有限元模型，結合用戶子程序UMAT嵌入Johnson-Cook塑性流動方程，并通過蒙特卡洛方法驗證網格敏感性（單元尺寸從 50μm 至 100μm 迭代優化）。

2.2 指標選取

研究指標基于“工藝一應力一性能”因果鏈劃分為3類(表1)，涵蓋熱力學作用、微觀響應及宏觀性能3個尺度。

表1指標選取

表1中指標的選擇依據在于其系統性覆蓋增材制造全流程的物理過程：激光能量密度量化熱源輸入效率，最大溫度梯度反映熱積累動態，殘余應力與孔隙率構成力-缺陷耦合作用鏈，而疲勞壽命作為終端性能指標驗證控制策略的有效性。針對鎳基高溫合金IN718的極端服役環境(燃氣輪機葉片，溫度大于 800% ），補充引入蠕變應變速率 作為長期穩定性指標，確保數據模型與工程需求的匹配性。

3殘余應力對成品質量的影響

3.1 幾何精度與尺寸穩定性的退化

3.1.1AM零件翹曲變形量的統計分布基于 316L 不銹鋼平板構件的實測數據(表2），當殘余拉應力從 320MPa 增至 480MPa 時，最大翹曲量由 0.28mm 激增至 0.79mm ，變異系數（ CV 值）從 12% 上升至 27% ，表明應力水平的提升顯著加劇變形分布的非均勻性。對比不同工藝參數組合可見，采用低速高能模式（激光功率 350‰ ，掃描速度900mm/s )的試樣呈現邊緣塌陷特征，其翹曲量峰位偏移量 達 1.83mm ，較高速低能模式 (250W，1400mm/s) 提升1.6倍。進一步通過核密度估計(Kernel DensityEstimation）分析變形空間分布，發現殘余應力場與零件支撐結構剛度存在強耦合：約束區域的變形標準差( σ_δ=45μm ）僅為自由端的 32% ，驗證了邊界條件對翹曲演化的

抑制作用。

表2基于316L不銹鋼平板構件實測

3.1.2殘余應力導致的層間開裂臨界閾值

層間開裂行為與殘余應力閾值 (σ_cx) 存在顯著相關性(表3)。

表3層間開裂行為與殘余應力閾值

通過三點彎曲試驗測得Ti-6Al-4V合金的臨界應力強度因子為 ，結合裂紋尖端應力場模擬（J積分法），推導出層間殘余拉應力超過415MPa 時，初始缺陷尺寸 a₀?80μm 的裂紋擴展風險驟增。對 AlSi10Mg 構件進行原位拉伸測試時，當局部等效應力 σ，M>270MPa （約為材料極限抗拉強度UTS的 65% )，顯微CT觀測到裂紋沿熔池邊界擴展速率提升至 0.8μm/cycle ，其疲勞壽命( N_f=1.2×10⁴ cycle)較低應力組 (σ，M=200MPa 縮短 83% 。

3.2力學性能的各向異性與弱化

3.2.1 不同應力狀態下拉伸強度與疲勞壽命的退化規律

對 AlSi10Mg 合金的拉伸測試(表4)顯示，沿沉積方向（ Z 向)的抗拉強度( UTS=420MPa 較水平方向（ X 向： UTS=480MPa 降低 12.5% ，而延伸率從 9.3% 降至5.1% ，表現出典型的脆性斷裂特征。值得注意的是，當殘余拉應力( σ_res=280MPa )與外部載荷方向一致時，屈服強度損失率 (Δσ_y/σ_y0) 達 24% ，遠高于反向加載條件(Δσ，/σ_y0=8% )。疲勞壽命數據進一步揭示應力狀態的依賴性：在應力比 R=0.1 的循環載荷下，橫向試樣的疲勞壽命( N_f=1.8×10⁴ cycles）僅為縱向的 43% ，且其裂紋擴展速率（ da/dN=3.2×10^-3 mm/cycle）為后者的2.7倍。

3.2.2 裂紋萌生機理的微觀表征

裂紋萌生與殘余應力場的微觀異質性呈現強關聯(表5)。

表4不同應力狀態下拉伸強度與疲勞壽命的退化規律

注：測試條件為室溫，應力比 R=0.1 ，應力幅 Δσ=400 MPa（AISi10Mg） .Δσ=600 MPa(Ti-6Al-4V)。

表5裂紋萌生機理的微觀表征

316L不銹鋼中 83% 的裂紋起源于熔池交界處的未熔合缺陷，其等效直徑 d_eff?15μm 的區域平均等效應力 _σ，M 達到 520MPa ，超過基體強度的1.3倍。聚焦離子束(FIB)切面分析顯示，裂紋偏轉角 θ_crack 與局部殘余應力梯度 ablaσ_r 滿足關系式 θ_crack=32^°× (?σ_r/100MPa/mm) ，表明應力梯度驅動裂紋沿最大剪切應變路徑擴展。

3.3 服役環境下的長期穩定性風險

3.3.1 腐蝕介質中應力腐蝕裂紋擴展速率

殘余應力與環境介質的協同作用顯著加速裂紋擴展(表6)。

表6腐蝕介質中應力腐蝕裂紋擴展速率

對316L不銹鋼在 3.5% NaCl溶液中的原位測試顯示，殘余拉應力（ σ_res=350MPa 使應力腐蝕裂紋擴展速率（daldt）從空氣中的 1.2×10^-7mm/s 激增至 6.8× 10^-6mm/s ，增幅達56倍。當局部應力強度因子 K_ISCC （應力腐蝕開裂門檻值)超過 時，CI-吸附誘導的氫脆效應主導裂紋尖端擴展，裂紋路徑由穿晶向沿晶轉變，微觀斷口呈現典型的冰糖狀形貌。對比發現， AlSi10Mg 在相同介質中的裂紋擴展速率( dal dt=3.4×10^-5mm/s )約為316L的5倍，歸因于其 β -Si相與A1基體的電偶腐蝕效應。相反，表面噴丸強化(噴丸強度 0.4mmA )可使IN718合金在酸性環境( pH=3 中的裂紋萌生時間延長3.2倍，印證了殘余壓應力的保護作用。

3.3.2 高溫蠕變與應力松弛行為的耦合效應

高溫環境下殘余應力與蠕變損傷的耦合作用大幅縮短構件服役壽命（表7)。

表7高溫環境下殘余應力與蠕變損傷的耦合作用

通過 750^°C 高溫蠕變試驗發現，Ti-6Al-4V合金在殘余拉應力（ σ_res=210MPa 下，穩態蠕變速率達 2.3× 10^-4h^-1 ，較無殘余應力狀態提升近4倍。斷裂時間 (t_r) 從 1350h 驟降至 420h ，斷口呈現晶界空穴鏈特征。有限元模擬顯示，殘余應力與熱循環載荷疊加時，應力松弛速率 (dσ/dt 呈現指數衰減規律： dσ/dt=-A×σⁿ ，其中n=3.5 （鎳基合金)至4.2(鈦合金）。當初始殘余應力 σ₀> 0.4σ_y(σ_y 為屈服強度)時，蠕變第三階段(加速階段)提前觸發，晶界擴散系數 D_gb 增加至 1.2×10^-16m²/s ，較常規條件高2個量級。

4建議

振動時效（頻率 20～60Hz ，磁通密度 0.5T 通過位錯重組釋放 60% 以上宏觀應力（ σ_macro 衰減至 120MPa 以下)，同時避免傳統熱處理的相變粗化問題(晶粒尺寸保持小于 30μm )。介觀尺度引入激光沖擊強化(LSP，壓力波強度 5～8GPa )，在表層 200μm 深度內形成梯度納米孿晶結構(孿晶間距 50～150nm， ，賦予 -350MPa 的殘余壓應力場，并使微動磨損率(法向力50N）降低78% 。兩者協同后，Ti-6Al-4V構件的高周疲勞極限（ 10⁷ cycles）提升至 580MPa （增幅 42% )，裂紋擴展門檻值 ΔK_th 提高至 6.5MPa^.Vm 。

4.4殘余應力全生命周期數據庫構建

構建涵蓋“制造一后處理一服役一失效”全鏈條的殘余應力數據庫，是精準預測和主動調控的基礎。數據庫需集成材料本構參數（如J-C模型系數A=520MPa B=650MPa n=0.25 ）、工藝指紋特征（激光脈寬 20～200ns 、層間時間5~35s）和服役載荷譜（振動頻率 0～2000Hz 、溫度循環范圍 ΔT=400^°C ）等異構數據。基于聯邦學習框架的數據共享機制（差分隱私 ε=0.5 )，聯合多家制造基地的工藝數據，可將殘余應力預測模型的泛化能力提升 35% 。

4.1工藝參數動態調控與在線監測技術融合 5結論

增材制造過程中殘余應力的累積本質上是熱一力-相變多場耦合的動態失衡問題。基于紅外熱像儀（熱循環分辨率 ±3^°C )與聲發射傳感器(頻率響應 50～ 400kHz )的在線監測網絡，可捕捉熔池熱振蕩( ΔT_max≈ 250^°C 和層間微裂紋擴展事件（能量閾值大于 0.8mV ）。通過卷積神經網絡(CNN）建立的殘余應力預測模型，可動態調整激光功率( ±20W. 和掃描矢量角（ θ=15^°～ 75^° 漸變），使316L不銹鋼薄壁件的最大殘余應力降低至 280MPa 以下（降幅達 37% ）。

4.2梯度化材料設計與熱力適配性優化

以Ti-6Al-4V/TC11功能梯度材料為通過調控層間元素比例(Ti含量梯度變化 ±0.8%/μm )，可使熱膨脹系數實現 3.2×10^-6 至 7.9×10^-6K^-1 的連續過渡，從而將界面熱失配應變( ε_mismatch， 從 0.25% 降至 0.07% 。采用仿生波紋界面設計(波紋幅度 30～50μm ，利用幾何結構化解應力集中效應，使疲勞壽命( Δσ=500MPa，R= 0)提升至傳統均質材料的2.1倍。在相變控制層面，引人原位NbC彌散相（體積分數 5%～12% 梯度分布）可誘發應力誘導向奧氏體相變（TRIP效應），耗散殘余應力能達 45J/cm³ ，同時提升表面硬度至 480HV_0.2 。

4.3 多尺度后處理工藝的協同作用機制開發

單一后處理技術難以全域調控殘余應力系統，需構建跨尺度的協同處理體系。宏觀尺度采用磁場輔助

增材制造殘余應力的形成與演化是決定構件力學性能及服役可靠性的核心問題。殘余應力的空間分布異質性及高幅值特征與快速凝固過程的非平衡熱力耦合直接相關。熔池邊界位錯纏結、元素偏析及相變應力梯度的耦合作用，導致構件呈現顯著的各向異性力學響應，且裂紋擴展速率受殘余應力場與微觀缺陷的協同作用呈現指數級加速特征（腐蝕環境中da/dt增幅超50倍)。高溫蠕變實驗進一步證實，當殘余應力與工作應力復合作用時，材料斷裂時間縮短至無應力狀態的 31% ，晶界擴散系數激增2個數量級，凸顯應力輔助擴散對損傷累積的加速效應。

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