机械制造轻量化构件激光选区熔化成形残余应力调控与力学性能优化研究

一、引言

随着《中国制造 （2015 年颁布）等政策的推进，制造业向高质量发展转型。激光选区熔化（SLM）技术作为先进制造技术，在轻量化构件制造中备受关注。在 SLM 技术应用于轻量化构件制造过程中，成形精度、材料适用性等方面虽有进展，但残余应力预测与控制存在诸多问题，如难以精确考虑热力耦合效应及对构件性能影响机制不明等。同时，激光与材料相互作用的热力学行为、材料相变特性与热膨胀系数、工艺参数等都对残余应力有重要影响。因此，对 SLM 成形残余应力调控与力学性能优化的研究至关重要。

二、激光选区熔化技术研究现状与挑战

2.1 激光选区熔化技术发展现状

激光选区熔化（SLM）技术在轻量化构件制造中具有重要应用。在成形精度方面，国内外研究不断深入。通过优化工艺参数、改进扫描策略等方法，提高了构件的尺寸精度和表面质量[1]。在材料适用性上，多种金属材料已被应用于 SLM 技术，如铝合金、钛合金等。研究人员对不同材料的 SLM 成形特性进行了大量探索，包括材料的熔化行为、凝固组织等，以更好地实现高质量构件的制造。

2.2 残余应力形成机理研究瓶颈

在 SLM 成形过程中，残余应力预测与控制面临诸多科学问题。一方面，现有方法难以精确考虑热力耦合效应。SLM 过程中，激光快速加热和冷却导致复杂的温度场和应力场变化，热力耦合作用强烈影响构件内部应力分布[2]。另一方面，对构件性能的影响机制尚不明确。残余应力可能导致构件变形、开裂，降低其力学性能，但热力耦合如何具体影响这些性能指标，还缺乏深入研究。这都制约了对 SLM 成形过程中残余应力的有效调控和构件质量的提升。

三、SLM 成形残余应力形成机制分析

3.1 热力学行为与应力演化规律

激光选区熔化（SLM）过程中，激光与材料相互作用产生复杂的热力学行为。激光能量使粉末迅速熔化和凝固，形成熔池。熔池内温度梯度极大，导致热应力产生[3]。热应力在材料冷却过程中进一步演化，当材料的热膨胀受到约束时，就会形成残余应力。熔池的动态行为，如熔池的尺寸、形状、流动等，会影响温度场的分布，进而改变热应力和残余应力的分布规律。通过建立激光-材料交互作用模型，可以深入研究这些过程，揭示其内在联系。

3.2 材料特性对应力形成的影响

轻量化材料如钛合金、铝合金的相变特性与热膨胀系数对 SLM 成形残余应力有重要影响。相变过程中，材料的组织结构发生改变，会引起体积变化，从而产生内应力。例如钛合金在激光作用下，β相到 α 相的转变会伴随体积变化[4]。热膨胀系数则影响材料在加热和冷却过程中的伸缩程度，不同材料热膨胀系数差异导致各部分变形不一致，进而形成应力。铝合金热膨胀系数较大，在快速加热冷却的 SLM 过程中，更易因热胀冷缩不均匀产生应力。

3.3 工艺参数对应力场的调控机理

激光功率、扫描速度和层厚等工艺参数对残余应力场有显著调控作用。激光功率影响熔池的能量输入，进而改变凝固过程中的温度梯度和冷却速率，影响残余应力的产生与分布[5]。扫描速度决定了激光与材料的作用时间，不同扫描速度下，熔池的凝固行为不同，导致应力场的差异。层厚则影响热量传递和累积，较厚的层厚可能使热量传递不均匀，增加残余应力。综合研究这些参数对残余应力场的定量影响关系，有助于优化工艺，减少残余应力。

3.4 多尺度数值模拟方法

构建涵盖熔池微观组织演化和宏观应力分布的多尺度有限元模型。考虑熔池凝固过程中的热传递、溶质扩散以及相转变等微观物理现象，通过耦合微观组织演化与宏观应力计算，模拟 SLM 成形过程中应力的产生与发展。采用合适的本构关系描述材料在不同温度和应变率下的力学行为，准确捕捉应力变化。同时，对熔池形状、尺寸以及激光功率、扫描速度等工艺参数进行精确建模，以深入研究其对残余应力的影响机制。

四、残余应力主动调控策略

4.1 工艺参数优化设计方法

提出基于响应面法的多参数协同优化方案。该方法综合考虑多个工艺参数对残余应力及力学性能的影响，通过合理设计实验，获取不同参数组合下的应力与性能数据。利用这些数据建立参数-应力-性能映射模型，此模型能够准确反映各参数与应力、性能之间的复杂关系。基于该模型，可通过优化算法寻找最优的工艺参数组合，从而实现对残余应力的有效调控以及力学性能的优化。

4.2 扫描策略创新设计

开发分区域变角度扫描和岛式扫描等新型扫描路径规划方法。分区域变角度扫描通过在不同区域采用不同的扫描角度，改变热传递方向和应力分布，避免应力集中。岛式扫描则将扫描区域划分为多个“岛屿”，分别进行扫描，减少热积累和应力累积。通过数值模拟和实验验证这些扫描策略对应力调控的效果，分析不同参数下应力的变化情况，为优化扫描路径提供依据，从而有效调控残余应力。

4.3 后处理工艺综合调控

热处理可通过改变材料组织结构来降低残余应力，不同热处理工艺参数对残余应力消除效果及力学性能影响各异。喷丸强化利用高速弹丸撞击工件表面产生塑性变形，引入有益的残余压应力，同时改善表面硬度和耐磨性，但需合理控制喷丸强度等参数。热等静压则在高温高压下使材料内部孔隙闭合，减少应力集中，提升材料致密性，进而影响残余应力和力学性能。综合运用这些后处理技术，可实现对残余应力的有效调控和力学性能的优化。

五、力学性能优化与验证

5.1 轻量化结构拓扑优化设计

在轻量化结构拓扑优化设计中，结合载荷工况至关重要。针对晶格结构和薄壁结构，通过拓扑优化方法，深入分析结构在不同载荷下的应力分布情况。依据应力分布特征，对结构进行合理设计，使其承载性能与之匹配。这不仅能有效提高结构的力学性能，还能充分发挥材料的性能潜力，实现轻量化目标的同时确保结构在实际工况下的可靠性和安全性。

5.2 多目标优化模型构建

建立残余应力、疲劳强度、刚度等性能指标的协同优化数学模型。考虑各性能指标间的相互关系及对构件整体性能的影响，确定目标函数。以激光选区熔化成形工艺参数为变量，构建包含约束条件的数学模型，约束条件可基于材料性能、工艺要求等设定。通过该模型，综合考虑多个性能指标，为实现力学性能的优化提供理论基础，以达到在满足各项性能要求的前提下，实现机械制造轻量化构件的最优设计。

5.3 实验验证与性能评估

采用 X 射线衍射、CT 扫描及疲劳试验等检测手段进行验证。X 射线衍射可精确测量残余应力，通过对比优化前后的数据，直观展现应力调控效果。CT 扫描能清晰呈现内部缺陷情况，验证优化方案对缺陷的改善作用。疲劳试验则可评估构件在循环载荷下的性能，以确定优化后力学性能是否提升，从而综合验证优化方案在残余应力调控及力学性能优化方面的有效性。

六、结论

本研究通过对机械制造轻量化构件激光选区熔化成形残余应力调控与力学性能优化展开深入探讨，取得了一系列成果。揭示了激光选区熔化过程中残余应力的产生机制，明确了工艺参数对其的影响规律。在此基础上，提出了有效的应力调控方法，显著降低了残余应力水平。同时，优化了构件的力学性能，使其满足实际应用需求。研究成果为机械制造轻量化构件的高质量制造提供了理论依据和技术支撑，对推动相关领域的发展具有重要意义。

参考文献

[1]赵国栋,王昊,赵建平.GH4169 激光选区熔化成形残余应力数值模拟研究[J].电焊机,2022,52(07):7-17.

[2]王涛,王翠凤,刘思默,等.选区激光熔化 316L 不锈钢残余应力优化研究[J].科技创新与应用,2023,13(02):76-79.

[3]赵仕宇,陈向文,詹艳然.基于数值模拟的选区激光熔化成形残余应力演化研究[J].精密成形工程,2024,16(01):174-180.

[4]姜旭,周六如,毕凤阳,等.激光选区熔化成形半圆孔悬垂结构变形及残余应力研究[J].制造技术与机床,2023,(08):27-31.

[5]谢可为,刘晓艳,费国胜,等.基于激光选区熔化成形的转轮水斗轻量化设计与制造[J].大型铸锻件,2023,(03):12-15+21.