江苏激光联盟导读：

　　用粉末床熔融法制造功能性（即用型）零件在航空航天领域和医疗领域近来有所增长。由于工艺本身而产生的残余应力(Residual stressesRS)可能导致零件出现裂纹和分层等缺陷，从而导致零件质量下降。这些RS是阻止该工艺被广泛采用的主要原因之一。由瑞典林雪平大学领导的包括RISE IVF AB瑞典研究院、澳大利亚核科学和技术组织(ANSTO)、澳大利亚纽卡斯尔大学和瑞典乌普萨拉大学在内的国际研究团队于2020年8月6日在学术期刊《Additive Manufacturing》上发表了利用粉末床熔融法开发了一种精确且有益的工具来评估复杂零件几何形状如何影响应力发展的研究成果，该工具的成功研发将有助于使用增材制造以精确且可预测的方式生产金属零件。

　　用增材制造(AM)方法制造具有复杂几何特征的零件的需求不断增长。从用于原型制作到批量生产已经走了很长一段路。但是，由于工艺和材料的复杂性，用于批量生产的金属零件的增材制造尚未完全建立。在逐层制造零件的许多不同方法中，基于激光的粉末床熔融法(laser-based powder bed fusion,L-PBF)是使用最广泛的技术之一，主要由于其可用的材料范围和工艺参数选择 。AM不仅可以生产复杂的零件，而且如果实施得当，还可以实现生态友好和可持续发展。

　　例如，在粉末床方法中，可以将剩余的粉末与新鲜粉末结合起来回收再利用，而不会影响质量。此外，AM可用于修理和翻新使用传统方法制造的旧零件。为了进行增材制造，已经开发和研究了多种材料。镍基超级合金是能源和航空航天行业中非常重要的一种材料，因为它们在高温下具有良好的机械性能。这些镍基超级合金通常用于航空和燃气涡轮发动机，尤其是高压涡轮叶片和热段部件。对于此类部件，与AM相比，传统制造技术成本低廉且耗时。

　　在增材制造中，工艺参数相互交织，并且在诸如密度、孔隙率、机械强度等特性方面对零件的结果有重大影响。有必要针对每种合金微调这些参数以获得所需的机械特性。在金属的广泛应用之前，金属增材制造必须克服的几个困难包括残余应力(RS)的影响是重要因素之一。这些RS是由于层的不相容性而产生的自平衡应力，这主要归因于粉末床工艺中印刷过程中不同层之间的温度梯度。RS可以导致优异或劣等的机械性能。它们在增材制造过程中特别受关注，因为高水平的残余应力会导致零件在印刷时形成裂纹，从而导致基板严重变形。通常，高水平的拉伸残余应力会导致印刷过程中出现裂纹，同时应力会导致零件变形。

　　从机械角度来看，已知表面附近的压缩残余应力通过增加抗裂纹形成和扩展的阻力来延长疲劳寿命。另一方面，拉伸残余应力会促进疲劳损伤的发展，并可能在非常低的外部载荷下导致零件失效。有一些方法可以通过使用后处理技术（例如热处理，喷丸处理，机加工等）来减少/修改所制造零件中的RS。但是，对于具有复杂几何特征的零件，这些表面处理方法可能不可行。先前关于RS的大部分工作主要集中在扫描策略、激光功率和激光速度等方面，而构建方向对RS的影响仅在以前很少进行研究。

　　为了测量RS，已经开发了各种方法，可以将其分为两个主要组：破坏性和非破坏性测试方法。钻孔和轮廓法等是半破坏性和破坏性技术，而X射线衍射，中子衍射和超声波测试是非破坏性测试。由于缺乏穿透深度，x光衍射方法只能给出表面附近应力状态的信息；而中子衍射法能够测量零件内部的RS，因此可用于表征残余应力分布里面的材料。在该研究中，研究人员采用中子衍射无损检测技术，在选定的截面上研究了构建方向对激光粉末床熔敷法制备的镍基超合金因Inconel 718残余应力分布的影响。

　　在当前的研究中，已采用无损中子衍射方法和简化的有限元建模方法来研究以三种不同方向建造的L形零件的残余应力。重点是提供一种方法来识别用于打印零件的合适构造方向，以减少RS场并促进其均匀分布。为进行研究，制造了尺寸为55mm×10mm×20mm的L形样品，其一侧的直径为5mm，如下图所示。使用了三个不同的构建方向，即水平构建(HB)，垂直构建(VB)和以45°角构建(45B)。出于一致性原因，共6个零件（即每个方向2个零件）在同一批次中制造，并具有相同的打印参数。

　　打印期间和之后的样品。VB样品中的孔在顶部。

　　RS的实验评估是在澳大利亚核科学技术组织(ANSTO)的Beamline KOWARI上进行的。KOWARI是专用的应变扫描仪，用于大量残余应力的测量。入射光束和出射光束的狭缝尺寸为2×2mm2，以提供2×2×2mm3的规格体积选择了1.5的标称波长，因为该仪器针对中子通量和仪器分辨率针对该波长进行了优化。在此波长下，可以使用2θ约为90°的(311)反射来完成FCC材料（如Inconel 718）的应力测量，以具有立方体形的中子规量。使用表面扫描确定每个样品在衍射仪上的位置：将样品移入中子规以根据获得的强度变化确定样品表面位置。结果，定位精度通常优于0.1mm。光束线中样本的一般设置如下图所示。

　　样品测量的横截面

　　根据实验，在水平方向上打印的零件在所有三个方向上显示的应力最小，并且在所有样品中均观察到零件中央的压缩RS和靠近表面的拉伸RS的总体趋势。具有垂直方向的构造在压缩和拉伸方面都显示出最大的RS量。简化的模拟结果与应力的实验值非常吻合。但是，在所有方向上，在零件中心普遍存在压应力。在所有样品的表面附近均观察到拉伸残余应力，这似乎存在潜在问题，需要解决。

　　来自林雪平大学的博士Prabhat Pant表示，“在残余应力的形成中，堆积方向会产生一定的影响，因此，对AM零件的性能会有一定的影响。”他是本文的一作，并得到了瑞典战略研究基金会（SSF）的支持。在该机构的支持下，他的培训任务是在国外进行研究，为世界上最强大的中子源欧洲散裂源的预期启动做准备。ACNS的Luzin提供了ANSTO的本地监督。

　　Pant表示能够预测将要发生的关键区域以减少它们，这是重要的生产优势。尽管这些残余应力可以通过后处理技术进行修改，但是在制造过程中残余应力的作用对于防止制造过程中随时出现变形或破裂至关重要。

　　该研究包括开发一种简化的仿真技术，该技术使用有限元分析来基于零件的几何形状预测残余应力，当通过中子实验结果验证时，该仿真技术具有良好的实用性。但是，研究人员指出，零件在竣工状态下的残余应力与零件的方向以及组合零件的几何形状之间存在复杂的相互联系。