激光增材制造中的残余应力及应力检测

　　激光增材制造(Laser Additive Manufacturing, LAM)是一种基于高能激光束的先进制造技术，通过逐层堆积材料(金属粉末、丝材或其他形态)直接成形复杂三维零件。激光增材制造可以实现高性能复杂金属构件的一体化直接成形，但该过程中存在的非均匀温度梯度分布、微熔池的近快速凝固、原位热处理效应以及非平衡固态相变、微观结构的不均匀性等会产生复杂的残余应力，严重影响成形构件质量和综合性能。本文介绍了激光增材制造中残余应力的形成机理和危害，以及使用X射线衍射法测试的应用。

　　1、激光增材制造残余应力的形成机理

　　残余应力是指当工件没有外力作用时，保留在材料内部维持其平衡状态而存在的应力。大部分材料加工和制造过程中均会产生残余应力。残余应力具有多尺度性质，根据残余应力平衡范围的不同，可分为以下三类：第一类为宏观残余应力，其存在区域尺度较大，在整个工件上应力保持平衡；第二类称为微观残余应力，其作用范围同晶粒尺寸相一致，在晶粒或者亚晶之间达到平衡，这类残余应力一般由晶粒或亚晶组织之间不均匀变形产生；第三类残余应力为晶格畸变应力，其作用范围仅限于几个原子间距的尺度。

　　图1 多晶体残余应力的多尺度分类说明

　　激光成形具有加热、 冷却速度极快的特点，在激光增材制造(LAM)过程中，残余应力主要由热-力耦合效应和快速凝固特性引起的。

　　1.1热应力（非均匀加热和冷却）

　　在激光增材制造加热过程中，基板和沉积材料会经历激光加热快速升温和迅速冷凝的过程，不同部位温度不同，熔化不同步，冷却过程中凝固不同步，这种不均匀的温度分布会造成较大的温度梯度，较大的温度梯度和较快的冷却速率将不可避免地造成不同部位膨胀收缩趋势不一致，引起沉积试样较大的热应力。当沉积试样冷却，温度场均匀后，若遗留在沉积试样中的应力超过材料的弹性极限，则材料会发生塑性变形。在成形件冷却至室温后，成形过程中的热应力、组织应力残留并积累，形成最终的残余应力。这类残余应力在成形后初期不易观察到，但在材料长期服役过程中会释放或重新分布，导致疲劳裂纹、冷裂纹脆性断裂、应力腐蚀等失效，危害较大。

　　1.2相变应力

　　激光增材制造(LAM)过程中，相变应力是由于材料在快速加热和冷却过程中发生固态相变(如奥氏体→马氏体、γ→α相等)时，伴随体积变化而产生的内应力。这种应力与热应力共同作用，显著影响零件的残余应力分布、变形倾向和力学性能。

　　1.3约束收缩产生的机械应力

　　在激光增材制造(LAM)中，约束效应是指已凝固材料(如基板或先前沉积层)对新沉积层热收缩的机械限制作用，导致残余应力的产生。这种效应是残余应力形成的核心因素之一，其本质是热收缩受限于已凝固材料的机械约束，直接影响零件的变形、开裂倾向和力学性能。

　　基板或已沉积层的约束：新沉积层收缩时，受限于基板或先前沉积层的刚性支撑，无法自由变形，产生内应力。若应力超过材料屈服强度，可能导致塑性变形或开裂。

　　几何形状影响：复杂结构(如悬臂、薄壁)因局部约束差异，残余应力分布不均，易在尖角或连接处应力集中。

　　2、激光增材制造中残余应力的危害及检测

　　2.1 激光增材制造中残余应力的危害

　　激光增材制造中的残余应力会对零件质量和性能产生多方面的严重危害。首先，残余应力会导致零件变形和尺寸超差，表现为翘曲、扭曲等几何失真，严重影响装配精度和使用功能。其次，残余拉应力会显著降低材料的疲劳性能，加速裂纹萌生和扩展，缩短零件服役寿命，在航空航天等关键制造领域可能引发灾难性断裂事故。此外，残余应力还会诱发应力腐蚀开裂，使零件在腐蚀环境中过早失效。在加工环节，残余应力重新分布会导致后续机加工时产生新的变形，增加制造成本和废品率。对于精密零件，残余应力可能改变其电磁、热学等物理性能，导致功能失效。更严重的是，某些高应力集中区域可能在无外载情况下直接发生断裂，造成重大经济损失和安全事故。这些危害在航空航天、医疗器械、能源装备等领域表现尤为突出，需要通过工艺优化、结构设计和后处理等手段进行系统控制。

　　2.2 残余应力的检测

　　增材制造过程中残余应力的有效调控，其先决条件是能精确的检测出应力值。从测试理论上分类主要有三种测试手段：一是通过破坏待测构件，释放其内部的残余应力(弹性变形)，然后根据胡克定律来计算应力，如钻孔法、裂纹柔度法、轮廓法等。二是通过测定晶格畸变或者因晶格畸变造成的物理性能改变来反推残余应力，如X射线衍射法、同步辐射衍射法、中子衍射法、超声波法等。三是对待测构件施加外部载荷，根据应力叠加后产生的不同应变量，进而计算残余应力，如压痕法、显微硬度法等。

　　目前，X射线衍射法是使用最为广泛的残余应力检测方法。尤其随着便携式 X 射线应力仪的出现，使得残余应力的检测自由度大大提高。

　　X射线法在测试增材制造残余应力方面具有独特优势：作为一种非破坏性检测技术，它能以±14MPa的高精度直接测量材料表面及亚表面(约10-30μm深度)的残余应力分布，特别适合检测增材制造件中因快速熔凝过程产生的复杂应力状态。该方法还可以结合电解抛光技术实现深度方向应力梯度分析。相比其他检测手段，X射线法既能满足增材制造复杂几何特征的测量需求，又可同步侧面反应工件晶粒尺寸、织构等微观结构信息，为工艺优化提供多维度数据支撑，是目前最符合增材制造残余应力研究需求的标准化检测方法之一。

　　X射线法工程应用中使用较为广泛的标准为GB/T 7704-2017《无损检测 X射线应力测定方法》以及EN 15305:2008。实际测试时推荐选用大直径准直器，以让更多晶粒参与到信号衍射中。但如果工件织构严重、组织不均匀或晶粒较为粗大，该方法的使用也有一定的限制。

　　3、总结

　　增材制造过程中的残余应力测试是确保产品质量和性能的关键环节，其核心价值在于通过精确量化应力分布，指导工艺优化、预测服役寿命、预防潜在失效风险。而工程应用上优先推荐使用X射线法残余应力检测。