激光增材制造金屬零部件變形的研究現(xiàn)狀

譚志俊，高 雙，何 博

(上海工程技術(shù)大學(xué)1.高溫合金精密成型研究中心，2.材料工程學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

激光增材制造是基于材料離散-逐漸累加方式制造實(shí)體零件的近凈成形技術(shù)。該技術(shù)通常以金屬粉末為原料，通過三維模型預(yù)分層處理設(shè)定激光掃描路徑，采用高能量激光束按照設(shè)定的掃描路徑逐層熔化金屬粉末，使其快速凝固、堆積而形成高性能構(gòu)件[1-2]。激光增材制造主要分為激光直接能量沉積(Laser direct energy deposition, LDED)和激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting, SLM)兩種。LDED技術(shù)具有以下特點(diǎn)：高效率無模成形，成形尺寸不受限制，適合大尺寸工件的成形；可實(shí)現(xiàn)多種材料的混合加工，實(shí)現(xiàn)梯度材料的制造；可對(duì)損傷零件實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)；工件成形復(fù)雜度、精度和表面質(zhì)量較低。相比而言，SLM技術(shù)具有較高的成形精度，且成形件具有良好的力學(xué)性能，拉伸性能一般可達(dá)鍛件水平；但其成形效率較低，成形件的尺寸受到鋪粉工作箱的限制，因此不適合用來制造大型的整體零件。目前，激光增材制造技術(shù)已在汽車、生物醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[3-4]。

在增材制造過程中，金屬材料經(jīng)歷快速加熱、凝固和冷卻過程[5-6]，在此過程中會(huì)形成較大的熱應(yīng)力以及由固態(tài)相變引起的組織應(yīng)力。這些應(yīng)力在成形結(jié)束后殘留在工件內(nèi)部而成為殘余應(yīng)力。若殘余應(yīng)力超過材料本身的屈服強(qiáng)度，成形件就會(huì)發(fā)生變形，導(dǎo)致尺寸精度及使用性能的降低[7]。因此，增材制造金屬零部件的變形一直是國(guó)內(nèi)外增材制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。為了給廣大研究人員提供參考，作者對(duì)激光增材制造金屬零部件的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

1 金屬零部件的變形機(jī)理與檢測(cè)方法

在增材制造過程中，金屬材料經(jīng)歷循環(huán)往復(fù)的驟熱驟冷過程，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度并產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，最終導(dǎo)致工件變形甚至開裂。在激光作用下，金屬材料熔化形成熔池，熔池在凝固過程中發(fā)生收縮，并且在隨后的冷卻過程中發(fā)生進(jìn)一步收縮；由于溫度分布不均勻，并且成形件形狀復(fù)雜，成形件不同區(qū)域的收縮不均勻[8]。同時(shí)，增材制造是一個(gè)逐層加工過程，在后一道激光掃描過程中，鄰近熔池的先凝固材料(沉積層)再次經(jīng)歷復(fù)雜的熱循環(huán)，繼續(xù)發(fā)生膨脹和收縮，導(dǎo)致殘余應(yīng)力的增加。當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)成形件發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生開裂，從而降低成形件的尺寸精度和完整性[9-10]。在SLM增材制造過程中，如果沉積層向上翹曲[11]的變形量太大，碰撞到鋪粉或送粉裝置，則會(huì)導(dǎo)致增材制造進(jìn)程停止，甚至損壞鋪粉或送粉裝置。

增材制造零部件變形的測(cè)定主要包括成形結(jié)束后對(duì)成形件輪廓的測(cè)量和成形過程中的原位測(cè)量。成形件輪廓測(cè)量主要包括三坐標(biāo)測(cè)量(CMM)[12-13]、3D激光掃描測(cè)量[14]和計(jì)算機(jī)斷層掃描測(cè)量(CT)等3種方法。3D激光掃描測(cè)量技術(shù)和CT技術(shù)通過掃描成形件構(gòu)建出成形件的幾何模型，并與設(shè)計(jì)的制造模型進(jìn)行對(duì)比來分析成形件的變形情況；CMM技術(shù)通過三維探針對(duì)成形件上選定的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，其系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出選定點(diǎn)的變形量。BUDZIK[15]就利用CMM技術(shù)研究了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片模型在不同擺放方向下的成形精度，發(fā)現(xiàn)豎直擺放時(shí)葉片的成形精度最高。原位測(cè)量技術(shù)主要包括激光位移傳感器(LDS)[16]和數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)[17-18]技術(shù)。XIE等[17]利用DIC技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量了LDED過程中薄壁零件的應(yīng)變量，發(fā)現(xiàn)薄壁零件兩端的橫向應(yīng)變比中間部分的大，垂直方向上的應(yīng)變比中間部分的小。BIEGLER等[18]對(duì)LEDE成形過程中薄壁件的變形量進(jìn)行原位測(cè)量，發(fā)現(xiàn)零件的變形主要為橫向的向內(nèi)收縮和垂直方向的向上翹曲。激光增材制造過程中零部件的變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)累積過程，原位測(cè)量可以對(duì)每加工一層后工件的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以更好地研究層間效應(yīng)對(duì)變形的影響。因此，通過原位測(cè)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變形量以反饋工藝參數(shù)等因素對(duì)變形的影響是未來研究的主要方向。

2 金屬零部件變形的影響因素

2.1 工藝參數(shù)對(duì)變形的影響

工藝參數(shù)會(huì)直接影響激光增材制造過程中的溫度梯度、冷卻速率和熔池尺寸等，進(jìn)而影響成形件的力學(xué)性能和尺寸精度。影響金屬零部件變形的工藝參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、粉末層厚度、掃描間距和掃描策略等[6-8]。

2.1.1 激光功率、掃描速度、粉末層厚度、掃描間距及層間掃描間隔時(shí)間的影響

在激光增材制造過程中，通常使用體積能量密度來綜合考慮激光功率、掃描速度、粉末層厚度和掃描間距對(duì)零部件成形質(zhì)量的影響，其定義為

(1)

式中：EV為體積能量密度；P為激光功率；v為掃描速度；h為掃描間距；t為粉末層厚度。

激光功率代表激光能量的大小，直接控制著熔池的溫度；掃描速度是指單位時(shí)間內(nèi)激光掃描的距離，通過控制激光與粉末相互作用的時(shí)間來影響熔池溫度。熔池尺寸和峰值溫度隨著激光功率的增加而增大，隨著掃描速度的增加而減小。MUKHERJEE等[19]建立了激光增材制造過程中的微觀應(yīng)變數(shù)學(xué)模型，定量研究了激光功率和掃描速度對(duì)金屬零部件變形的影響，發(fā)現(xiàn)金屬熱應(yīng)變隨著激光功率的增大而增加，隨著掃描速度的增加而減小。LI等[20]研究了工藝參數(shù)對(duì)SLM成形AlSi10Mg合金時(shí)溫度場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)：增大激光功率會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度，而較大的溫度梯度會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度后就會(huì)造成合金的變形或開裂；當(dāng)激光掃描速度增大時(shí)，激光與粉末相互作用的時(shí)間縮短，熔池溫度降低、尺寸減小，合金變形減小。激光增材制造過程中，當(dāng)粉末層厚度增加時(shí)，粉末層下表面粉末顆粒吸收的熱量減小，造成熔池上下表面的溫度梯度增大，成形件的變形量也增大。MUGWAGUA等[21]在研究工藝參數(shù)對(duì)懸臂梁翹曲變形的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)變形量隨著粉末層厚度的增加而增大。MUKHERJEE等[22]基于數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)零部件的殘余應(yīng)力隨粉末層厚度的減小而減小，變形量也隨之減小。掃描間距會(huì)直接影響相鄰熔池的搭接率，掃描間距越小，搭接率越大，熱輸入和溫度梯度增大，相應(yīng)的熱應(yīng)力和變形量也增大。POHL等[23]研究了掃描間距對(duì)金屬零部件翹曲變形的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描間距減小時(shí)，成形件翹曲變形的程度明顯增大。

此外，在激光增材制造過程中，層與層之間的掃描間隔時(shí)間也會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生一定影響。激光增材制造零部件的變形主要由殘余應(yīng)力引起，而殘余應(yīng)力在沉積過程中處于不斷的累積、釋放狀態(tài)；累積或釋放量取決于沉積層和基板的應(yīng)力松弛行為。層間掃描間隔時(shí)間和溫度則通過影響沉積層和基板的應(yīng)力松弛行為，進(jìn)而影響成形件的變形。DENLINGER等[24]采用原位測(cè)量技術(shù)研究了層間掃描間隔時(shí)間對(duì)變形的影響，發(fā)現(xiàn)激光增材制造Ti6Al4V合金的變形量隨著層間掃描間隔時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。WANG等[10]通過原位中子衍射研究了增材制造Ti6Al4V合金試樣的應(yīng)力松弛機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在600 ℃和700 ℃應(yīng)力松弛過程中合金沒有發(fā)生相變，因此推測(cè)應(yīng)力松弛可能是通過位錯(cuò)的滑移和攀移實(shí)現(xiàn)的。

激光功率、掃描速度、粉末層厚度、掃描間距和層間掃描間隔時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)成形件變形的影響較為復(fù)雜。通常，變形量隨著激光功率、粉末層厚度和層間掃描間隔時(shí)間的增加而增大，而隨著掃描速度和掃描間距的增大而減小。

2.1.2 激光掃描策略的影響

在SLM工藝中，掃描策略會(huì)對(duì)金屬零部件的成形質(zhì)量和尺寸精度產(chǎn)生重要影響[25]。常用的掃描策略包括單向掃描、Z形掃描、螺旋線掃描和島嶼掃描[26-27]，如圖1所示。單向掃描和Z形掃描是比較簡(jiǎn)單傳統(tǒng)的掃描策略。螺旋線掃描過程中的熱量傳遞比單向和Z形掃描的更均勻，因此產(chǎn)生的溫度梯度更小，溫度場(chǎng)更均勻，最終零部件的殘余應(yīng)力和翹曲變形也較小[25]。島嶼掃描策略是指將待掃描區(qū)域劃分為多個(gè)小方形區(qū)域(也稱為島嶼)，再按照預(yù)先設(shè)定的掃描順序?qū)@些島嶼進(jìn)行掃描的一種策略。島嶼掃描策略使得加工過程中的熱量分布更加均勻，減小了熱量集中；而且上下層相鄰島嶼具有相互垂直的掃描方向，減弱了不同沉積層之間及整個(gè)金屬零部件的各向異性，有助于減小增材制造構(gòu)件的變形。研究表明，在層與層之間旋轉(zhuǎn)一定角度(通常為67°或90°)進(jìn)行掃描也可以減弱沉積層間的各向異性，提高層與層之間的黏結(jié)性，減少分層和翹曲變形等缺陷[28]。

圖1 4種掃描策略示意Fig.1 Schematic of four scanning strategies: (a) one-way scanning; (b) Z-shaped scanning; (c) spiral scanning and (d) island scanning

基于上述不同的掃描策略，研究人員進(jìn)行了較多增材制造零部件變形的研究。NICKEL等[29]采用長(zhǎng)、短光柵單向掃描策略和從內(nèi)向外、從外向內(nèi)螺旋線掃描策略進(jìn)行激光熔化沉積試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于平板形狀的零件，從外到內(nèi)的螺旋線掃描策略能減小其變形量。DUNBAR等[16]采用層與層之間旋轉(zhuǎn)0°和67°的2種Z形掃描策略對(duì)Inconel 718合金進(jìn)行了SLM成形，利用原位測(cè)量技術(shù)研究了層間效應(yīng)對(duì)SLM成形件變形的影響，結(jié)果表明:采用層與層之間旋轉(zhuǎn)67°的Z形掃描策略可以有效減小翹曲變形；當(dāng)激光將鋪粉層熔化后，基板在深度方向上產(chǎn)生一定的溫度梯度，基板上部分區(qū)域的熱脹現(xiàn)象更為顯著，因而基板向上彎曲，當(dāng)熔池凝固冷卻時(shí)，其收縮會(huì)“拉扯”基板向相反的方向彎曲，因此變形量曲線呈波動(dòng)現(xiàn)象。YAN等[30]研究發(fā)現(xiàn)，與Z形掃描策略相比，島嶼掃描策略可以有效減小成形件的變形量，并且島嶼掃描順序?qū)ψ冃魏蜌堄鄳?yīng)力的影響比島形尺寸的影響更顯著。RAMOS等[31]采用SLM制備Ti6Al4V合金薄板，基于數(shù)學(xué)算法設(shè)計(jì)了間隔式島嶼掃描策略，通過控制掃描順序確保下一個(gè)掃描的島嶼與剛掃描完的兩個(gè)島嶼不相鄰，從而減弱了增材制造過程中的熱集中效應(yīng)，減小了變形；同時(shí)發(fā)現(xiàn)平行于掃描方向的變形量大于垂直于掃描方向的，成形件中的殘余應(yīng)力隨著掃描矢量長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而增大。這與PARRY等[9]和GIBSON等[32]的發(fā)現(xiàn)一致。這是因?yàn)檩^小的掃描矢量長(zhǎng)度產(chǎn)生的熔池長(zhǎng)度較小，殘余應(yīng)力和變形量也較小。一般在激光增材制造過程中，采用島嶼掃描策略成形的零部件變形最小。

2.1.3 基板預(yù)熱的影響

基板是激光增材制造金屬零部件的構(gòu)造平臺(tái)，在增材制造過程中也經(jīng)歷著復(fù)雜的熱循環(huán)過程；基板的變形直接影響著成形件的尺寸精度。GAO等[33]研究發(fā)現(xiàn)，在激光增材制造過程中，基板沿沉積方向(Z方向)的畸變遠(yuǎn)大于沿其他兩個(gè)方向(X和Y方向)的，同時(shí)激光加工引起的基板變形是永久性的，無法通過熱處理消除?；孱A(yù)熱可以減小成形過程中的溫度梯度和冷卻速率，從而減小成形件的殘余應(yīng)力和變形量。陶攀等[34]和BUCHBINDER等[35]研究了基板預(yù)熱溫度對(duì)懸臂梁翹曲變形的影響，發(fā)現(xiàn)懸臂梁的翹曲變形程度隨著基板預(yù)熱溫度的升高而減小。ALI等[36]通過SLM技術(shù)成形Ti6Al4V合金零件時(shí)，發(fā)現(xiàn)基板預(yù)熱可以有效降低殘余應(yīng)力，并且在一定溫度區(qū)間內(nèi)殘余應(yīng)力隨著預(yù)熱溫度的升高而減小，成形件的變形也隨之減小。ABE等[37]在使用SLM技術(shù)成形硬質(zhì)合金工具時(shí)，在設(shè)備內(nèi)增加了一臺(tái)CO2激光器來預(yù)熱基板，結(jié)果顯示成形件的彎曲強(qiáng)度明顯提高，翹曲變形程度相對(duì)減小。

此外，原位退火處理也可以減小成形件的殘余應(yīng)力和變形量。ROEHLING等[38]在SLM設(shè)備中增加一組激光二極管，在掃描完一層或多層后，用由激光二極管產(chǎn)生的光選擇性地照射沉積層以進(jìn)行原位退火，有效地減小了成形件的殘余應(yīng)力和變形程度。

目前，基板預(yù)熱已成為一種減小成形件殘余應(yīng)力和變形的有效方法，而在成形過程中對(duì)沉積層進(jìn)行原位退火為調(diào)控和解決殘余應(yīng)力和變形問題提供了新的思路。

2.2 材料性能及相變對(duì)變形的影響

不同的金屬材料具有不同的熱力學(xué)性能，在激光增材制造過程中的成形性能也隨之不同。MUKHERJEE等[19]研究發(fā)現(xiàn)，具有較低熱容量和較高熱擴(kuò)散率的金屬材料在增材制造中較易達(dá)到峰值溫度，并且產(chǎn)生較大的熔池尺寸和熱應(yīng)變。DENLINGER等[24]認(rèn)為Ti6Al4V合金成形件的變形量隨層間掃描間隔時(shí)間的延長(zhǎng)明顯增大現(xiàn)象是由Ti6Al4V合金在成形過程中發(fā)生固態(tài)相變引起的；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在相同的層間掃描間隔時(shí)間和熱輸入條件下，Inconel 625合金成形件的變形量是Ti6Al4V合金成形件的2倍。

在激光增材制造過程中，高能激光束將金屬粉末加熱熔化，當(dāng)激光束移走后，熔融金屬液在較高的冷卻速率下迅速凝固。在凝固后的冷卻過程中，某些金屬材料還會(huì)發(fā)生固態(tài)相變，如在增材制造Ti6Al4V合金過程中，當(dāng)溫度降低到β相變點(diǎn)(980 ℃)[39]附近時(shí)，發(fā)生β相向α相或α′相轉(zhuǎn)變，晶格類型從體心立方(BCC)轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕?HCP)，產(chǎn)生的晶格應(yīng)變會(huì)影響整體變形量。BAILEY等[40]研究了在LDED制造H13工具鋼過程中固態(tài)相變與殘余應(yīng)力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)H13工具鋼在成形過程中發(fā)生奧氏體向馬氏體的固態(tài)相變，相變過程伴隨著體積的增加，因此形成了殘余壓應(yīng)力。目前，關(guān)于固態(tài)相變對(duì)變形的影響機(jī)制研究較少，這應(yīng)是未來的研究熱點(diǎn)之一。

3 變形預(yù)測(cè)

殘余應(yīng)力和變形問題是激光增材制造技術(shù)面臨的一個(gè)棘手問題。目前，常通過數(shù)值模擬技術(shù)研究工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力和變形的影響，并采用變形補(bǔ)償?shù)姆绞娇刂屏悴考淖冃巍＞唧w步驟為：通過數(shù)值模擬對(duì)零件在增材制造過程中發(fā)生的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于模擬結(jié)果設(shè)計(jì)具有變形補(bǔ)償?shù)牧慵圃炷Ｐ筒⑦M(jìn)行激光增材制造成形，從而抵消成形件的變形量，提高尺寸精度[41]。MUKHERJEE等[22]利用一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的三維瞬態(tài)傳熱和流體流動(dòng)模型，對(duì)增材制造過程中成形件的殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力隨著熱輸入的增加而減小，而熱變形隨著熱輸入的增加而增大。LI等[7]通過建立一種實(shí)用的多尺度有限元模型，模擬分析了4種不同掃描策略對(duì)金屬成形件變形的影響，發(fā)現(xiàn)島嶼掃描策略對(duì)應(yīng)的成形件變形量最小，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。XIE等[42]提出了一種約束力假設(shè)來解釋增材制造中的變形，并且將有限元仿真得到的殘余應(yīng)力分布和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了約束力假設(shè)的可靠性。AFAZOV等[14]在有限元模擬的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)零部件在增材制造過程中的變形量，并且采用變形補(bǔ)償方法建立了零件制造模型，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行變形補(bǔ)償后成形件的變形量明顯減小。

數(shù)值模擬相比于傳統(tǒng)的試錯(cuò)法，可以在很大程度上節(jié)約制造成本與時(shí)間成本，縮短零部件從設(shè)計(jì)到成形的時(shí)間，提高成形件的成形精度。但是，數(shù)值模擬需要根據(jù)不同材料的熱力學(xué)性能建立不同的熱力學(xué)模型，并且需要考慮多相合金相變的影響，如在建立Ti6Al4V合金的熱力學(xué)模型時(shí)，就需要考慮在凝固過程中的固態(tài)相變對(duì)變形的影響。目前，增材制造數(shù)值模擬主要采用熱-力耦合小尺度模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和仿真模型的不斷完善，數(shù)值模擬對(duì)增材制造零部件變形的預(yù)測(cè)將會(huì)更加準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

影響激光增材制造金屬零部件變形的主要因素包括熔池溫度、溫度梯度、冷卻速率等，通過優(yōu)化工藝參數(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)宏觀尺度的“控形”和微觀尺度的“控性”是未來工作的重點(diǎn)。激光增材制造大型復(fù)雜零部件的變形控制目前仍然存在很大挑戰(zhàn)：變形會(huì)隨著零部件尺寸的增大而不斷累積，而且形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件本身不同部位間存在復(fù)雜的相互約束，其變形規(guī)律十分復(fù)雜，因此很難進(jìn)行預(yù)測(cè)和調(diào)控。目前，常通過建立熱-力耦合小尺度模型，對(duì)激光增材制造零部件的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，再通過變形補(bǔ)償來控制成形件的變形。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和研究人員對(duì)激光增材制造過程研究的深入，數(shù)值模擬技術(shù)將在大型薄壁零部件的變形控制領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，多尺度多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬將是未來的研究熱點(diǎn)。未來在激光增材制造成形件變形控制方面主要包括以下研究方向：發(fā)展原位檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)成形過程中零部件變形的實(shí)時(shí)調(diào)控；建立材料基因數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)開發(fā)新型的高屈服強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)的金屬材料，提高零部件成形過程中的抗變形能力;在零部件設(shè)計(jì)過程中，考慮形狀結(jié)構(gòu)因素對(duì)增材制造過程中成形件尺寸精度的影響。