激光快速成形金屬零件的殘余應(yīng)力
激光快速成形技術(shù)是近幾年國(guó)際上廣泛關(guān)注的一種的實(shí)體自由成形技術(shù)，能夠直接成形高性能的致密金屬零件，具有無(wú)模具、短周期、低成本、市場(chǎng)響應(yīng)快等特點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要分析了激光快速成形件殘余應(yīng)力的形成機(jī)理及分布規(guī)律，概述了殘余應(yīng)力對(duì)成形件力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)尺寸、實(shí)際使用等方面的影響，探討了實(shí)驗(yàn)測(cè)定殘余應(yīng)力的方法及調(diào)整和消除殘余應(yīng)力的有效手段等。
激光快速成形技術(shù)是一種基于激光熔覆的迭層制造技術(shù)，它將快速原型技術(shù)（RP）自由成形的優(yōu)點(diǎn)與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)、致密金屬零件的直接成形，具有高柔性、短周期、低成本、市場(chǎng)響應(yīng)快等特點(diǎn)，是一種將材料技術(shù)與制造技術(shù)有機(jī)融為一體的“新材料設(shè)計(jì)、新材料制備與近凈成形高性能復(fù)雜零件快速成形一體化”新技術(shù)。激光快速成形以高能激光束作為移動(dòng)熱源，一方面，激光快速加熱冷卻為材料加工提供了常規(guī)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)的極端非平衡條件，使成形件具有細(xì)小、致密的組織和優(yōu)異的綜合性能；但另一方面，局部熱輸入造成的不均勻溫度場(chǎng)必然引起局部熱效應(yīng)，表現(xiàn)在熔池在凝固及隨后冷卻過(guò)程不一致，從而在成形件中形成殘余應(yīng)力和變形。殘余應(yīng)力作為一種內(nèi)應(yīng)力，不僅對(duì)成形件的靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能等有不利影響 ，而且也影響結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性和成形精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接引發(fā)裂紋缺陷。成形件一旦出現(xiàn)裂紋，成形過(guò)程將被迫終止，同時(shí)已成形的金屬零件只能報(bào)廢處理，這將大大增加制造成本。因此，要充分發(fā)揮激光快速成形技術(shù)的優(yōu)越性，提高成形零件綜合質(zhì)量，研究激光快速成形過(guò)程殘余應(yīng)力的形成機(jī)理和分布特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)于激光快速成形過(guò)程中殘余應(yīng)力的研究國(guó)外已開(kāi)始有報(bào)道，而目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)有這方面的研究報(bào)道。本文初步分析了激光快速成形過(guò)程的殘余應(yīng)力問(wèn)題，為描述和控制激光快速成形過(guò)程中殘余應(yīng)力分布提供基礎(chǔ)。
殘余應(yīng)力的形成機(jī)理與分布特性
激光快速成形屬于材料熱加工過(guò)程，它以高能激光束作為移動(dòng)熱源，局部熱輸入產(chǎn)生的局部熱效應(yīng)將導(dǎo)致一定殘余應(yīng)力和變形。這主要是是激光束與材料相互作用形成的熔池經(jīng)歷快速加熱、熔化和快速冷卻、凝固變化，必然產(chǎn)生不均勻熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，結(jié)果引起不均勻塑性變形而形成殘余應(yīng)力。具體是激光快速成形過(guò)程能量非常集中，熔池及其附近部位以遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱，并局部熔化。這部分材料因受熱而膨脹，而熱膨脹受到周圍較冷區(qū)域的約束，產(chǎn)生(彈性)熱應(yīng)力。同時(shí)，由于受熱區(qū)域溫度升高后屈服極限下降，部分區(qū)域的熱應(yīng)力值會(huì)超過(guò)其屈服極限，因此，熔池部分會(huì)形成塑性的熱壓縮，冷卻后就比周圍區(qū)域相對(duì)縮短、變窄或減小，同時(shí)由于熔覆層凝固冷卻時(shí)受到基材冷卻收縮的約束，從而在熔覆層中形成殘余應(yīng)力。因此，激光快速成形過(guò)程產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因主要?dú)w結(jié)于以下兩方面:
1.由于局部熱輸入造成溫度分布不均勻，使得熔池及周圍材料產(chǎn)生熱應(yīng)力，在冷卻和凝固時(shí)相互制約而引起局部熱塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力;
2.由于熔凝區(qū)存在溫度梯度且冷卻速率不一致，熔池材料在凝固時(shí)因相變體積變化不均及相變的不等時(shí)性產(chǎn)生的相變應(yīng)力，進(jìn)而引起不均勻塑性變形而形成相變殘余應(yīng)力（組織應(yīng)力）。成形件終的殘余應(yīng)力往往是上述兩種原因的綜合結(jié)果。激光快速成形過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理冶金過(guò)程，殘余應(yīng)力的形成受諸多因素的影響同樣非常復(fù)雜，應(yīng)力大小和分布與熔覆粉材（種類、狀態(tài)）、基體（材料、狀態(tài)）、成形路徑、成形尺寸及工藝參數(shù)的選取等密切相關(guān)，一般為三維殘余應(yīng)力。
