1、殘余應(yīng)力在3D打印中的產(chǎn)生機(jī)制殘余應(yīng)力是指當(dāng)外部載荷移除后，仍殘留在材料內(nèi)部并保持自平衡的內(nèi)應(yīng)力。在3D打印，尤其是金屬增材制造過(guò)程中，殘余應(yīng)力已成為影響零件質(zhì)量和性能的關(guān)鍵因素。這些應(yīng)力的形成源于制造過(guò)程中復(fù)雜的熱-力-冶金耦合作用，其大小和分布直接影響著構(gòu)件的變形、裂紋傾向及疲勞壽命。從熱力學(xué)角度分析，金屬3D打印過(guò)程中的極高溫度梯度是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要根源。以激光選區(qū)熔化(SLM)和激光熔化沉積(LMD)為代表的金屬增材制造技術(shù)，涉及將金屬粉末快速加熱至熔化狀態(tài)隨后快速冷卻的循環(huán)過(guò)程。當(dāng)高能量激光或電子束掃描粉末床時(shí)，照射區(qū)域瞬間溫度可達(dá)數(shù)千攝氏度，而周圍材料仍保持較低溫度。這種急劇的非均勻溫度場(chǎng)導(dǎo)致材料局部膨脹和收縮程度不同，產(chǎn)生不均勻的塑性變形，從而在構(gòu)件內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。值得注意的是，在激光粉末床熔融過(guò)程中，熱循環(huán)和熱積累會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生顯著的殘余應(yīng)力和變形，對(duì)零件的成形精度帶來(lái)極大影響。相變行為同樣對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生重要影響。某些金屬材料在加熱和冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生固態(tài)相變，伴隨體積變化。例如，鈦合金從β相到α相的轉(zhuǎn)變會(huì)引起體積膨脹，而不均勻的相變過(guò)程會(huì)導(dǎo)致局部體積變化差異，產(chǎn)生所謂的相變應(yīng)力。西安交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在3D打印單晶鎳基高溫合金的修復(fù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于打印冷卻速度快，容易造成高殘余應(yīng)力、高位錯(cuò)密度的亞穩(wěn)態(tài)微觀組織結(jié)構(gòu)。這種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)熱處理或服役過(guò)程中容易發(fā)生再結(jié)晶，導(dǎo)致材料高溫力學(xué)性能下降。機(jī)械約束同樣在殘余應(yīng)力產(chǎn)生中扮演重要角色。在3D打印過(guò)程中，已凝固的底層材料對(duì)新沉積層的約束會(huì)抑制其自由收縮，導(dǎo)致塑性變形并在界面區(qū)域產(chǎn)生顯著的拉伸應(yīng)力。這種約束效應(yīng)在大型構(gòu)件和具有復(fù)雜幾何特征的結(jié)構(gòu)中尤為明顯。中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司在研究激光選區(qū)熔化TC4閉式葉輪的成形過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，增材制造過(guò)程中的殘余應(yīng)力容易導(dǎo)致成型零件產(chǎn)生翹曲變形甚至裂紋缺陷。表1：3D打印中殘余應(yīng)力的主要產(chǎn)生機(jī)制3D打印過(guò)程中的殘余應(yīng)力分布具有一定的規(guī)律性。通常，表層區(qū)域多為壓應(yīng)力，而內(nèi)部特別是近基底區(qū)域則常為拉應(yīng)力。這種分布特征與制造過(guò)程中的熱流方向和冷卻條件密切相關(guān)。北京力學(xué)會(huì)的研究人員通過(guò)對(duì)3D打印中間支承圓筒熱殘余應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，不同打印方式對(duì)熱殘余應(yīng)力分布有顯著影響【7】。這種殘余應(yīng)力的不均勻分布不僅會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件變形，還可能在應(yīng)力集中區(qū)域引發(fā)裂紋，嚴(yán)重影響零件的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性。2、殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)與模擬方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)3D打印過(guò)程中的殘余應(yīng)力，對(duì)于優(yōu)化工藝參數(shù)、控制零件變形和提高成品率具有重要意義。當(dāng)前，針對(duì)殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法主要分為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)纱箢悾渲袛?shù)值模擬以其成本低、周期短、能夠提供全場(chǎng)應(yīng)力分布等優(yōu)勢(shì)成為研究熱點(diǎn)。在數(shù)值模擬方法中，熱-彈-塑性模型被視為殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)的最精確方法之一。該方法通過(guò)順序耦合熱分析和力學(xué)分析，全面考慮溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響。熱-彈-塑性模型能夠精確描述材料在加熱和冷卻過(guò)程中的彈性變形、塑性變形及其不可逆行為，實(shí)現(xiàn)從微觀熔池到宏觀零件的多尺度模擬。然而，這種高精度是以巨大的計(jì)算資源為代價(jià)的。對(duì)于大尺寸或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工業(yè)級(jí)構(gòu)件，完整的熱-機(jī)械耦合模擬往往因計(jì)算難以收斂、耗時(shí)久等原因變得不切實(shí)際。例如，對(duì)工業(yè)級(jí)核電應(yīng)急柴油機(jī)凸輪軸在LMD過(guò)程后的變形趨勢(shì)預(yù)測(cè)，若采用完整的熱-力耦合模型，計(jì)算成本將非常高昂。為解決這一難題，固有應(yīng)變法作為一種高效預(yù)測(cè)方法被廣泛采用。固有應(yīng)變法的核心思想是將3D打印過(guò)程中由溫度變化、相變等因素產(chǎn)生的非彈性應(yīng)變(即固有應(yīng)變)作為等效載荷，施加到彈性有限元模型中，從而大幅簡(jiǎn)化計(jì)算復(fù)雜度。中國(guó)激光雜志上發(fā)表的研究通過(guò)“熱源-局部-結(jié)構(gòu)件”三級(jí)遞進(jìn)模型，采用生死單元法模擬SLM成形層層疊加過(guò)程，并逐層施加固有應(yīng)變，成功得到了宏觀結(jié)構(gòu)件SLM成形的變形趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果。研究表明，固有應(yīng)變有限元法能夠有效預(yù)測(cè)SLM成形件的變形量，且計(jì)算效率顯著提高。近年來(lái)，修正的固有應(yīng)變方法進(jìn)一步提升了預(yù)測(cè)精度。這種方法考慮到3D打印過(guò)程的周期性，對(duì)連續(xù)兩個(gè)打印層進(jìn)行熱-彈-塑性耦合分析，通過(guò)修正固有應(yīng)變理論，提取3D打印過(guò)程等效的修正固有應(yīng)變載荷，然后將這些載荷逐層施加到彈性有限元模型，實(shí)現(xiàn)3D打印過(guò)程高效模擬及殘余變形精確預(yù)測(cè)。應(yīng)用激光雜志上的研究表明，通過(guò)與3D打印完整過(guò)程熱-固耦合分析及3D打印試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了修正固有應(yīng)變方法預(yù)測(cè)3D打印殘余變形的精確性和高效性。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，多種技術(shù)手段可用于殘余應(yīng)力的定量分析。X射線衍射法是最為常用的無(wú)損測(cè)量方法之一，它基于晶體晶格間距的變化計(jì)算應(yīng)力大小?！毒艹尚喂こ獭飞系难芯坷肵射線應(yīng)力儀進(jìn)行了3D打印鋁合金樣品表面殘余壓應(yīng)力的測(cè)試分析。其他方法如盲孔法、中子衍射和同步輻射等也各具特色，分別適用于不同材料和精度要求。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅可以單獨(dú)用于應(yīng)力分析，還能為數(shù)值模擬結(jié)果提供驗(yàn)證，提高模型的可靠性。表2：殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)方法比較福建工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在考慮3D打印殘余應(yīng)力的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中，基于固有應(yīng)變理論，研究了快速預(yù)測(cè)金屬3D打印部件殘余應(yīng)力和變形的方法【6】。他們基于有限元及生死單元技術(shù)，施加等效固有應(yīng)變載荷，模擬3D打印成型過(guò)程，通過(guò)對(duì)比有限元數(shù)值模擬殘余變形與3D打印試驗(yàn)，獲取等效的固有應(yīng)變值，在此基礎(chǔ)上研究3D打印殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)。這種結(jié)合模擬與實(shí)驗(yàn)的方法為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。3、殘余應(yīng)力的控制與優(yōu)化策略面對(duì)3D打印中殘余應(yīng)力帶來(lái)的挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了多種控制與優(yōu)化策略，從工藝參數(shù)調(diào)整、掃描路徑規(guī)劃到支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成了一系列行之有效的方法。這些策略的核心在于調(diào)節(jié)熱輸入和熱耗散的平衡，以最小化不均勻塑性應(yīng)變。3.1工藝參數(shù)優(yōu)化激光功率、掃描速度、鋪粉層厚等關(guān)鍵工藝參數(shù)直接影響熔池尺寸和溫度分布，進(jìn)而決定殘余應(yīng)力水平。研究表明，適當(dāng)降低激光功率或提高掃描速度可以減少熱輸入，降低溫度梯度，從而減小殘余應(yīng)力。然而，過(guò)低的能量輸入會(huì)導(dǎo)致熔合不足，形成孔洞和未熔合缺陷;而過(guò)高的能量輸入則可能引起過(guò)熔和球化現(xiàn)象。因此，尋找最佳工藝窗口是控制殘余應(yīng)力的首要任務(wù)。北京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用最優(yōu)運(yùn)輸無(wú)網(wǎng)格法結(jié)合粉末尺度模型直接模擬同軸送粉工藝中的強(qiáng)流固熱耦合過(guò)程，預(yù)測(cè)成型結(jié)果的孔隙分布與形貌，并基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)思想探究工藝參數(shù)-孔隙的影響規(guī)律，結(jié)合多島遺傳算法獲得設(shè)計(jì)空間內(nèi)最佳工藝參數(shù)【5】。3.2掃描策略設(shè)計(jì)掃描策略的優(yōu)化是控制殘余應(yīng)力的有效途徑。不同的掃描路徑會(huì)改變熱積累模式和冷卻條件，從而影響殘余應(yīng)力分布。中國(guó)激光雜志上的研究基于改進(jìn)的固有應(yīng)變理論，從熱彈塑性模型中提取固有應(yīng)變矢量并逐層施加至典型特征結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性地研究了四種掃描策略下特征結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和變形分布【1】。研究發(fā)現(xiàn)，在不同掃描策略下，薄壁結(jié)構(gòu)、懸臂梁和懸垂圓孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相同的變形趨勢(shì)，即掃描方向沿短邊時(shí)變形最小。其原因一為掃描方向沿短邊方向時(shí)掃描矢量長(zhǎng)度較小，二為相同應(yīng)力下短邊變形小于長(zhǎng)邊變形，從而產(chǎn)生小的殘余應(yīng)力及變形【1】。應(yīng)用激光雜志上的研究則進(jìn)行了掃描路徑的優(yōu)化，通過(guò)對(duì)比6種掃描路徑，發(fā)現(xiàn)層間來(lái)回交替掃描模式下的變形量最小【1】。這種掃描方式通過(guò)均勻化熱輸入，避免了局部熱積累，從而減小了殘余應(yīng)力。此外，分區(qū)掃描和輪廓偏移掃描等策略也有助于優(yōu)化應(yīng)力分布，特別是在大平面構(gòu)件中效果顯著。3.3

支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)是控制變形的關(guān)鍵手段。支撐不僅提供力學(xué)約束，防止零件在制造過(guò)程中發(fā)生過(guò)量變形，還作為散熱通道，調(diào)節(jié)局部冷卻速率。中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司的研究團(tuán)隊(duì)利用Simufact

Additive增材制造仿真模擬軟件，對(duì)閉式葉輪成形過(guò)程的變形以及殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬仿真【5】?；诜抡娼Y(jié)果，他們調(diào)整支撐的類型、尺寸、分布以及成形參數(shù)來(lái)調(diào)控支撐本體的力學(xué)性能，并使用微觀CT等手段分析了支撐強(qiáng)度和孔隙率之間的關(guān)系。結(jié)果表明：支撐優(yōu)化后，閉式葉輪內(nèi)腔支撐去除后的表面粗糙度從原塊體支撐的528μm降到了13μm，疲勞強(qiáng)度提高了約84.8%【5】。對(duì)于懸垂結(jié)構(gòu)，增加支撐有利于減小翹曲變形，提高成形質(zhì)量。然而，支撐會(huì)增加材料消耗和后處理難度，因此需要在支撐效果和成本之間尋求平衡。通過(guò)仿真驅(qū)動(dòng)的支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)支撐，即在關(guān)鍵部位布置適量支撐，既控制變形又減少資源浪費(fèi)。表3：殘余應(yīng)力控制策略對(duì)比4、殘余應(yīng)力的消除與后處理技術(shù)即使采用最優(yōu)的工藝參數(shù)和掃描策略，3D打印零件中仍不可避免會(huì)存在一定水平的殘余應(yīng)力。因此，后處理技術(shù)成為調(diào)控殘余應(yīng)力、提升零件性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)作用機(jī)理不同，后處理技術(shù)可分為熱處理、機(jī)械處理和復(fù)合處理三大類。4.1熱處理技術(shù)熱處理是最廣泛應(yīng)用的后處理方法，通過(guò)控制溫度和時(shí)間促進(jìn)材料內(nèi)部原子擴(kuò)散和位錯(cuò)重組，從而降低或消除殘余應(yīng)力。常見的熱處理方式包括退火、熱等靜壓和固溶時(shí)效處理等。相關(guān)文章指出，打印后進(jìn)行熱處理至關(guān)重要，因?yàn)樗粌H涉及消除殘余應(yīng)力，而且還影響零件的機(jī)械特性，如抗彎曲性、延展性甚至最終硬度。對(duì)于金屬3D打印零件，退火處理是最常見的應(yīng)力消除方式。退火過(guò)程中，零件被加熱到低于材料熔點(diǎn)的特定溫度并保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻。這一過(guò)程使材料發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，顯著降低位錯(cuò)密度，從而消除殘余應(yīng)力。對(duì)于金屬，退火將有可能由于其再結(jié)晶而增加晶粒尺寸。退火的持續(xù)時(shí)間會(huì)對(duì)最終零件的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響：暴露在熱量下的時(shí)間越長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)變化就越大【8】。熱等靜壓則是一種更為先進(jìn)的處理技術(shù)，它同時(shí)施加高溫和高壓，能有效閉合內(nèi)部孔隙并消除殘余應(yīng)力。根據(jù)介紹，熱等靜壓結(jié)合了非常高的溫度和惰性氣體的等靜壓，同時(shí)施加，增加了零件的密度及其電阻。該技術(shù)能消除所有內(nèi)部空隙并消除殘余孔隙，適用于對(duì)致密度和疲勞性能要求極高的零件【8】。西安交通大學(xué)材料學(xué)院團(tuán)隊(duì)針對(duì)3D打印單晶高溫合金修復(fù)后的再結(jié)晶問題，開發(fā)了創(chuàng)新的“回復(fù)-固溶-時(shí)效”

熱處理新流程【10】。他們發(fā)現(xiàn)，在固溶前增加“回復(fù)”步驟，可以消除再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力。經(jīng)過(guò)這一流程處理，高溫合金的殘余應(yīng)力伴隨微觀組織γ′相的定向粗化而消除，且位錯(cuò)密度可降低至熱處理前的5%左右，時(shí)效后沉淀強(qiáng)化γ′相達(dá)到與鑄態(tài)基材相同水平【10】。這一發(fā)現(xiàn)突破了“單晶高溫合金不具備回復(fù)能力”的經(jīng)典認(rèn)知，為3D打印高溫合金的非標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度提供了理論依據(jù)。4.2機(jī)械處理與復(fù)合工藝機(jī)械處理方法如激光沖擊強(qiáng)化、噴丸處理等，通過(guò)引入表層壓應(yīng)力來(lái)抵消原有的殘余拉應(yīng)力，從而提高零件的疲勞壽命。相關(guān)研究評(píng)估了不同激光沖擊能量對(duì)3D打印鋁合金表面殘余應(yīng)力和表面形貌的影響【2】。結(jié)果表明，合適的激光沖擊能量可以在零件表面引入有益的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，顯著提高材料的疲勞性能。復(fù)合增材制造技術(shù)結(jié)合了增材制造與其他能量場(chǎng)或塑性變形方法，實(shí)現(xiàn)了在制造過(guò)程中實(shí)時(shí)控制殘余應(yīng)力。江蘇大學(xué)魯金忠教授團(tuán)隊(duì)在《極端制造》上發(fā)表的綜述系統(tǒng)總結(jié)了復(fù)合增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展。該技術(shù)通過(guò)利用外部能量場(chǎng)或?qū)娱g塑性變形方法，在金屬增材制造過(guò)程中有引導(dǎo)性地調(diào)控熔池熔化、流動(dòng)和凝固行為，或改變固化層晶粒成核、長(zhǎng)大及再結(jié)晶過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控及機(jī)械性能強(qiáng)化【9】。論文全面梳理了基于性能控制的復(fù)合增材制造技術(shù)在殘余應(yīng)力拉-壓轉(zhuǎn)換、冶金缺陷閉合、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控、力學(xué)性能改善和各向異性優(yōu)化的原理。5、航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與挑戰(zhàn)殘余應(yīng)力控制對(duì)航空航天領(lǐng)域3D打印構(gòu)件的質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。該領(lǐng)域通常使用鈦合金、鎳基高溫合金等難加工材料，制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況苛刻的關(guān)鍵構(gòu)件，對(duì)殘余應(yīng)力控制提出了極高要求。5.1

典型應(yīng)用案例航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)是3D打印技術(shù)成功應(yīng)用的典范。西安交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)單晶葉片3D打印修復(fù)后的再結(jié)晶難題，開發(fā)了新型熱處理工藝【10】。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片是由成本昂貴的單晶鎳基高溫合金制成，由于服役環(huán)境苛刻，容易受到局部損傷。3D打印憑借其“精準(zhǔn)定位、可控增材”的特點(diǎn)在單晶葉片的修復(fù)/再制造領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景【10】。通過(guò)創(chuàng)新的“回復(fù)-固溶-時(shí)效”熱處理流程，成功解決了3D打印高溫合金在標(biāo)準(zhǔn)熱處理或服役過(guò)程中容易發(fā)生再結(jié)晶的問題，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)延壽、降成本提供了技術(shù)支撐。閉式葉輪作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其3D打印制造也面臨殘余應(yīng)力控制的挑戰(zhàn)。中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司的研究人員針對(duì)激光選區(qū)熔化TC4閉式葉輪的成形過(guò)程，利用Simufact

Additive軟件對(duì)變形及殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬仿真，并基于結(jié)果優(yōu)化支撐方案。研究表明，通過(guò)合理的支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以顯著改善葉輪內(nèi)腔的表面粗糙度和疲勞性能，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的增材制造提供了參考。5.2技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新需求航空航天領(lǐng)域3D打印中的殘余應(yīng)力控制仍面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)。高性能材料的工藝適應(yīng)性是首要問題，例如，高強(qiáng)鋁合金、鈦合金及鎳基高溫合金等對(duì)熱輸入極為敏感，工藝窗口窄，殘余應(yīng)力控制難度大。中冶有色網(wǎng)介紹的基于鋁基復(fù)合材料的弱化3D打印件殘余應(yīng)力方法，通過(guò)離散預(yù)約束點(diǎn)掃描、分區(qū)島狀去熱應(yīng)力整體掃描、零件切面輪廓勾邊掃描等步驟，顯著降低了在零件和基板結(jié)合處的應(yīng)力集中現(xiàn)象【3】。這種方法利用均勻分布的離散點(diǎn)極大程度上降低了應(yīng)力水平，同時(shí)使得應(yīng)力的分布更加均勻合理，消除了在激光3D打印鋁基材料中極易出現(xiàn)的翹曲和變形現(xiàn)象。大型整體構(gòu)件的變形控制是另一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。航空航天領(lǐng)域常采用大型整體結(jié)構(gòu)件，如機(jī)身框架、機(jī)翼接頭等，其尺寸龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造過(guò)程中的累積殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形難以通過(guò)后校正消除。江蘇大學(xué)魯金忠教授團(tuán)隊(duì)指出，單一的增材制造技術(shù)難以滿足復(fù)雜精細(xì)構(gòu)件高質(zhì)量制造需求，金屬構(gòu)件在連續(xù)加工過(guò)程中性能不穩(wěn)定，如熱循環(huán)累積、內(nèi)部殘余拉應(yīng)力，阻礙其在標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用?？臻g應(yīng)用環(huán)境下的