机械工程中增材制造零件的力学性能优化与残余应力控制

引言

随着智能制造和个性化装备需求的持续增长，增材制造以其高度灵活的设计自由度和高效材料利用率，在航空航天、能源动力、医疗、模具、汽车等机械工程前沿领域展现出独特的技术优势。本文立足于机械工程应用，系统梳理增材制造零件的力学性能优化理论与技术，分析残余应力的产生与控制路径，旨在为提升增材制造零件的工程品质和可靠性提供理论基础和技术方案。

一、增材制造工艺对零件力学性能的影响机制

主流增材制造技术包括选择性激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）、直接能量沉积（DED）、熔融沉积建模（FDM）等。这些工艺均基于分层、逐点或逐线能量输入与材料熔化堆积，成形过程涉及复杂的热-力-相变耦合。以金属激光增材制造为例，激光热源在金属粉末床或丝材表面快速扫描，形成高温熔池和高梯度冷却区。不同的工艺参数（如激光功率、扫描速度、层厚、扫描路径、预热温度等）直接影响熔池温度场、冷却速率、凝固结构与相变行为。高速冷却通常导致细小晶粒与非平衡组织形成，有利于提升强度和硬度，但同时增大组织各向异性和残余应力水平。部分工艺易诱发气孔、裂纹、未熔合等缺陷，成为性能薄弱区。增材制造零件的微观组织往往表现为定向柱状晶、胞状晶或细小等轴晶的混合结构，强化相分布、析出物特性、晶界分布等均明显不同于铸造或锻造材料，进而影响屈服强度、延性、疲劳寿命和断裂韧性等关键力学性能。为了提升力学性能，需要在工艺设计阶段针对目标材料特性，科学优化能量输入、层厚、扫描策略和成形环境，实现组织细化、缺陷抑制和力学性能的协同优化。

二、增材制造零件微观组织与性能调控方法

微观组织作为力学性能的物质基础，其调控途径是实现性能优化的关键。首先，合金成分设计应与增材制造工艺适配，部分传统合金难以直接移植，需开发专用高流动性、抗裂性粉末或丝材。其次，通过优化工艺参数和扫描路径（如交错扫描、旋转扫描、逆向扫描等），可以有效控制热积累和梯度分布，促进等轴晶生成、柱状晶细化和织构减弱，提升组织的各向同性与韧性。预热床面和多层预热技术有助于降低热梯度，减少裂纹和孔隙生成。热处理作为组织优化的重要手段，在增材制造中应用广泛。固溶处理和时效处理可消除残余应力、促进第二相析出、均匀元素分布，改善延性与韧性。针对特殊材料如钛合金、高温合金等，适当的热处理路径可有效控制马氏体、贝氏体、γ’相等组织成分的分布，提高高温强度和服役寿命。机械后处理如热等静压（HIP）、表面滚压、超声冲击等，也能提升组织致密度、消除内部孔隙与微裂纹，增强疲劳性能与抗断裂能力。微观尺度上，晶粒尺寸、取向、亚结构、析出强化相和界面特性均可通过上述手段实现精准调控。结合先进原位表征与多尺度数值模拟，有助于揭示工艺—组织—性能之间的内在关联，为性能最优设计提供数据支持。

三、残余应力的产生机制与测量表征

增材制造过程中，层层堆积与多次快速加热冷却导致复杂的热循环和应力场演化。残余应力主要来源于局部温度梯度下的热膨胀不均、相变收缩与多层结构的拘束效应。当新熔化材料冷却收缩受下层未冷却结构的阻碍时，形成拉应力与压应力相互交错的残余应力分布。残余应力的空间分布呈现较强的层间变化和各向异性，表层常为拉应力，内部为压应力。过高的残余拉应力不仅引起零件变形、翘曲，还可能诱发冷裂、疲劳断裂和服役失效。残余应力的测量与表征是性能优化的前提。实验方法包括X射线衍射法、中子衍射法、孔钻法、盲孔法、表面应变计法等，能够实现不同尺度、深度和空间分布的应力定量测量。数值模拟方法如有限元热-力耦合模拟、相场法等可在工艺设计阶段预测残余应力分布，指导工艺参数与路径优化。结合原位温度监测、热成像与应变场测量，可实现增材制造全过程的应力演化追踪，为后续控制策略的实施奠定基础。

四、残余应力控制与力学性能协同优化策略

残余应力控制的核心在于降低应力源、优化应力分布、减小峰值区。过程参数优化是最直接的调控手段，通过合理选择激光/电子束功率、扫描速度、层厚、能量密度和扫描策略，降低温度梯度和热积累，减缓应力生成。工艺中实施床面预热、层间预热或控温冷却可有效平衡热应力与应变。热处理是消除残余应力的主流技术，常见的有消应退火、应力释放退火和固溶时效等。机械后处理如热等静压（HIP）、表面滚压、激光冲击强化等，能够实现深层应力消除和微观结构致密化。结构设计阶段应结合有限元模拟，优化零件支撑结构、截面形状和构建方向，减少应力集中和变形风险。先进的过程监测与反馈控制技术，如在线热像分析、应变场测量、闭环工艺控制，有助于实时检测与调节应力源。近年来，数字孪生与多尺度模拟的应用，使得力学性能与残余应力的协同优化能够在设计、工艺、后处理等全流程实现虚实结合的智能决策。通过多维度工艺—组织—性能一体化控制，增材制造零件可获得高致密度、高强度、高延性的优良力学性能和低残余应力、高服役可靠性的综合指标。

五、结论

机械工程中增材制造零件的力学性能优化与残余应力控制是实现其高可靠性和广泛应用的基础保障。本文系统梳理了主流增材制造工艺对零件微观组织与力学性能的影响规律，分析了微观组织调控、工艺参数优化、热处理和机械后处理等多元手段对性能提升和应力控制的协同效应。研究与工程实践表明，只有构建基于工艺—组织—性能耦合关系的全流程优化控制体系，结合先进的测量、模拟与智能制造平台，才能有效实现增材制造零件的高性能与高可靠性。未来，随着多尺度物理模拟、数字孪生、智能控制与新型后处理技术的发展，增材制造零件的性能优化与应力控制将更加精准和高效。建议行业加强工艺标准化、数据共享与软硬件协同创新，加快推动增材制造在高端装备、复杂零部件和个性化制造中的工程落地和智能化升级。

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