增材制造（AdditiveManufacturing，AM）作為一種顛覆性的制造技術(shù)，因其能夠以極少的材料浪費(fèi)和更大的設(shè)計(jì)自由度生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)件，已逐漸成為現(xiàn)代制造業(yè)中最具代表性和應(yīng)用最廣泛的工藝之一。與傳統(tǒng)的減材加工（如切削、銑削、磨削等）相比，AM技術(shù)能夠通過逐層堆積材料來實(shí)現(xiàn)近凈成形（near-netshape），大幅度降低材料利用率不足和模具依賴所帶來的限制。尤其在航空航天、醫(yī)療植入物和高端裝備制造等領(lǐng)域，AM展現(xiàn)出顯著的工藝優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。在眾多增材制造技術(shù)中，基于激光的增材制造（Laser-basedAdditiveManufacturing，LAM）發(fā)展最為迅速，典型工藝包括激光定向能量沉積（LaserDirectedEnergyDeposition，L-DED）以及選擇性激光燒結(jié)（SelectiveLaserMelting，SLM）等（圖1）。能夠迅速將金屬粉末或絲材加熱至熔融狀態(tài)，隨后使其在基板或熔池中快速凝固成形，進(jìn)而逐層構(gòu)建出復(fù)雜的三維零件。通過對激光功率、掃描策略以及沉積路徑等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)且合理的調(diào)控，基于激光的增材制造技術(shù)不僅能夠制備出致密度近乎達(dá)到100%的高性能金屬零件，還能夠?qū)崿F(xiàn)對零件微觀組織和宏觀性能的精確可控調(diào)節(jié)。圖1

典型LAM工藝：（a）激光定向能量沉積，（b）選擇性激光燒結(jié)然而，在LAM過程中，強(qiáng)烈的熱輸入、熔池的快速凝固以及復(fù)雜的塑性變形行為相互交織，使得LAM制造部件面臨一個(gè)顯著問題，即零件內(nèi)部存在高水平的殘余拉應(yīng)力。這些殘余拉應(yīng)力主要由溫度梯度效應(yīng)和固態(tài)收縮效應(yīng)所引發(fā)。在激光掃描區(qū)域，材料經(jīng)歷局部的急劇加熱與快速冷卻過程，產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。與此同時(shí)，熔池在凝固過程中發(fā)生的體積收縮以及相變過程，進(jìn)一步加劇了應(yīng)力的積累[2]。若這些殘余應(yīng)力未能得到有效釋放，極有可能致使零件出現(xiàn)一系列嚴(yán)重的工藝缺陷。具體表現(xiàn)為材料分層、熱裂紋的產(chǎn)生、翹曲變形以及宏觀尺寸的改變等（圖2）。更為重要的是，在實(shí)際服役條件下，殘余拉應(yīng)力可能成為零件過早失效的誘因。比如，在循環(huán)載荷作用下，殘余拉應(yīng)力與外加載荷相互疊加，降低了零件的疲勞壽命；在腐蝕環(huán)境中，殘余拉應(yīng)力會加速材料的腐蝕進(jìn)程，導(dǎo)致零件的耐蝕性能下降。這些情況都顯著削弱了零件的使用壽命和可靠性[3,4]。因此，如何對殘余應(yīng)力進(jìn)行有效調(diào)控與緩解，已成為LAM技術(shù)研究與工程應(yīng)用領(lǐng)域中的核心問題之一。圖2LAM過程中由殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致的缺陷：（a）翹曲，（b）局部開裂，（c）變形和分層，（d）宏觀裂紋，（e）薄板過度變形當(dāng)前，在緩解和控制LAM過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力方面，研究人員已經(jīng)提出了豐富多樣的策略，總體上可歸納為預(yù)處理、后處理以及原位處理這三大類別，接下來將對上述三種處理方法進(jìn)行介紹。預(yù)處理預(yù)處理策略主要聚焦于對原材料或者基板進(jìn)行預(yù)先處理，以此減輕殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。例如，通過預(yù)熱基板的方式，能夠有效降低成形過程中的溫度梯度[5]；或者通過對粉末顆粒度分布進(jìn)行優(yōu)化以及調(diào)整粉末成分，從而改善熔池的穩(wěn)定性[6]。這些預(yù)處理手段能夠在制造流程啟動之前，就顯著降低潛在的應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)。例如，Ali

等人[5]在開展Ti6Al4V的選區(qū)激光熔覆（SelectiveLaserMelting,SLM）之前，對粉床實(shí)施了預(yù)熱處理。通過系統(tǒng)對比不同預(yù)熱溫度條件下殘余應(yīng)力的變化情況，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到570℃及以上時(shí)，樣品內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力能夠得到有效消除（圖3）。這一現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制在于，在激光熔融過程中進(jìn)行高溫預(yù)熱，有助于減小熱梯度，使得冷卻過程更加可控，進(jìn)而有效減少了組件內(nèi)部殘余拉應(yīng)力的生成。圖3

粉床預(yù)熱溫度對Ti6Al4V選擇性激光熔融部件殘余應(yīng)力的影響

后處理目前，在增材制造領(lǐng)域，為了應(yīng)對殘余應(yīng)力問題，常用的后處理方法主要涵蓋熱處理和表面處理。傳統(tǒng)的熱處理方式，雖能夠有效地降低基于激光的增材制造（LAM）過程中引入的殘余應(yīng)力，但其弊端也較為明顯，存在能耗高、加工時(shí)間長等問題。并且，由于增材制造構(gòu)件的結(jié)構(gòu)往往具有復(fù)雜的特點(diǎn)，在采用這類傳統(tǒng)熱處理時(shí)，會面臨一定的挑戰(zhàn)，難以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。相比之下，電處理作為一種新興的后處理技術(shù)，近年來在殘余應(yīng)力消除與微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控方面得到了廣泛的關(guān)注[7]。其基本原理在于，電流在材料內(nèi)部產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)與電塑性非熱效應(yīng)會協(xié)同作用，共同促進(jìn)位錯(cuò)的遷移與湮滅。這種協(xié)同效應(yīng)在微觀層面能夠?qū)崿F(xiàn)材料組織的均勻化，在宏觀層面則可以有效地調(diào)控殘余應(yīng)力。對于電處理在殘余應(yīng)力調(diào)控中的具體應(yīng)用，本公眾號前期發(fā)布的推文《殘余應(yīng)力消除法—電處理》已有詳細(xì)的介紹，有興趣的讀者可以進(jìn)行閱讀。在針對增材制造構(gòu)件的表面處理方面，其核心目標(biāo)在于，在不損害增材制造復(fù)雜幾何形狀優(yōu)勢的前提下，降低構(gòu)件表面的粗糙度，消除或者減輕表層存在的缺陷，引入有益的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)進(jìn)一步提升構(gòu)件的耐磨性、耐蝕性以及疲勞可靠性。在眾多表面處理方法中，噴丸強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化以及超聲沖擊強(qiáng)化等表面強(qiáng)化技術(shù)，能夠?qū)υ霾闹圃鞓?gòu)件的近表面組織和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的影響[8–10]。例如，華中科技大學(xué)葉暢團(tuán)隊(duì)[10]采用超聲納米晶表面改性（Ultrasonicnanocrystalsurfacemodification，UNSM）方法對增材制造316L不銹鋼進(jìn)行了處理。研究結(jié)果顯示，超聲沖擊所產(chǎn)生的高應(yīng)變率以及劇烈的塑性變形，有效地降低了構(gòu)件表面的粗糙度，減輕了表層的缺陷（圖4a-c）；與此同時(shí)，在構(gòu)件的近表面區(qū)域引入了大約400μm的殘余壓應(yīng)力（如圖4d所示），并且形成了具有梯度特征的納米結(jié)構(gòu)組織（如圖4e所示）。得益于這些表面強(qiáng)化效果，316L不銹鋼的疲勞壽命得到了顯著的提升（如圖4f所示）。這充分展示了超聲納米晶表面改性技術(shù)在增材制造構(gòu)件性能提升方面的巨大潛力。圖4

增材制造316L不銹鋼的孔隙率變化：（a）對照組（b）超聲沖擊處理樣品；（c）不同UNSM工藝下的表面粗糙度；（d）UNSM

處理后的殘余應(yīng)力；（e）UNSM處理引入的納米晶層；（f）增材制造316L不銹鋼對照組與UNSM試樣的疲勞壽命對比[10]

原位處理盡管熱處理或表面處理這類后處理方法能夠在一定程度上釋放或重新分布增材制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，但它們通常會帶來額外的工藝步驟。相比之下，原位處理是在零件成形過程中通過實(shí)時(shí)調(diào)控?zé)屺C力學(xué)條件來減緩應(yīng)力的積累。例如，可采用分區(qū)掃描策略、調(diào)整層間冷卻時(shí)間[11]，或者在增材制造過程中引入外場輔助，如超聲振動、超聲沖擊強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化等[12–15]。圖5給出了在激光增材過程中同步施加超聲沖擊強(qiáng)化（UltrasonicPeening，USP）或激光沖擊強(qiáng)化（LaserShock

Peening，LSP）的示意圖。通過原位強(qiáng)化處理，可以主動調(diào)控零件的殘余應(yīng)力分布以及微觀組織演變，從而提高性能的均勻性和可控性。相較于傳統(tǒng)的預(yù)處理和后處理方法，原位處理更符合高效、一體化制造的發(fā)展趨勢，因此成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)方向。比如，為了抑制增材制造（AM）沉積層中粗大柱狀晶的形成，南昌大學(xué)劉勇團(tuán)隊(duì)在鈦合金激光沉積制造中引入了超聲微鍛造技術(shù)[12]，該方法在沉積過程中促進(jìn)了材料的再結(jié)晶行為，不僅生成了等軸晶結(jié)構(gòu)，還有效地細(xì)化了晶粒。然而，這種工藝需要強(qiáng)化工具（如超聲頭）與被強(qiáng)化區(qū)域直接接觸（圖5a），這增加了工藝控制的難度。圖5

（a）超聲沖擊強(qiáng)化輔助增材制造[12]；（b）激光沖擊強(qiáng)化輔助增材制造[15]相比之下，激光沖擊強(qiáng)化輔助增材制造無需工具與材料直接接觸（圖5b），因此具有更高的加工精度和可控性，同時(shí)還能在材料內(nèi)部引入更深層的殘余壓應(yīng)力。例如，在Ti6Al4V的SLM過程中，由于高熱梯度和快速冷卻，試樣表層容易產(chǎn)生顯著的殘余拉應(yīng)力。而通過激光沖擊強(qiáng)化的實(shí)時(shí)原位處理（SLM-LSP），可以在試樣表層形成約0.9mm深的殘余壓應(yīng)力層（圖6）[16]。殘余壓應(yīng)力的引入能夠有效抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高材料的疲勞壽命和服役可靠性。圖6SLM處理和SLM-LSP處理試樣的殘余應(yīng)力深度曲線[16]

綜上所述，相較于預(yù)處理、傳統(tǒng)熱處理以及表面處理方法，原位外場輔助（如超聲沖擊強(qiáng)化與激光沖擊強(qiáng)化）能夠在AM中實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力與組織的主動控制，展現(xiàn)出高效與一體化制造