激光快速成形技術(shù)是近幾年國際上廣泛關(guān)注的一種先進的實體自由成形技術(shù)，能夠直接成形高性能的致密金屬零件，具有無模具、短周期、低成本、市場響應快等特點。本文簡要分析了激光快速成形件殘余應力的形成機理及分布規(guī)律，概述了殘余應力對成形件力學性能、結(jié)構(gòu)尺寸、實際使用等方面的影響，探討了實驗測定殘余應力的方法及調(diào)整和消除殘余應力的有效手段等。
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)點與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復雜結(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、市場響應快等特點，是一種將材料技術(shù)與制造技術(shù)有機融為一體的“新材料設(shè)計、新材料制備與近凈成形高性能復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)手段無法實現(xiàn)的極端非平衡條件，使成形件具有細小、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必然引起局部熱效應，表現(xiàn)在熔池在凝固及隨后冷卻過程不一致，從而在成形件中形成殘余應力和變形。殘余應力作為一種內(nèi)應力，不僅對成形件的靜載強度、疲勞強度和抗應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，嚴重時會直接引發(fā)裂紋缺陷。成形件一旦出現(xiàn)裂紋，成形過程將被迫終止，同時已成形的金屬零件只能報廢處理，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程殘余應力的形成機理和分布特性具有重要的現(xiàn)實意義。關(guān)于激光快速成形過程中殘余應力的研究國外已開始有報道，而目前國內(nèi)尚未見有這方面的研究報道。本文初步分析了激光快速成形過程的殘余應力問題，為精確描述和控制激光快速成形過程中殘余應力分布提供基礎(chǔ)。
殘余應力的形成機理與分布特性
激光快速成形屬于材料熱加工過程，它以高能激光束作為移動熱源，局部熱輸入產(chǎn)生的局部熱效應將導致一定殘余應力和變形。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)生不均勻熱應力和相變應力，結(jié)果引起不均勻塑性變形而形成殘余應力。具體是激光快速成形過程能量非常集中，熔池及其附近部位以遠高于周圍區(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)熱應力。同時，由于受熱區(qū)域溫度升高后屈服極限下降，部分區(qū)域的熱應力值會超過其屈服極限，因此，熔池部分會形成塑性的熱壓縮，冷卻后就比周圍區(qū)域相對縮短、變窄或減小，同時由于熔覆層凝固冷卻時受到基材冷卻收縮的約束，從而在熔覆層中形成殘余應力。因此，激光快速成形過程產(chǎn)生殘余應力的原因主要歸結(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)生熱應力，在冷卻和凝固時相互制約而引起局部熱塑性變形，進而產(chǎn)生熱殘余應力;
2.由于熔凝區(qū)存在溫度梯度且冷卻速率不一致，熔池材料在凝固時因相變體積變化不均及相變的不等時性產(chǎn)生的相變應力，進而引起不均勻塑性變形而形成相變殘余應力（組織應力）。成形件最終的殘余應力往往是上述兩種原因的綜合結(jié)果。激光快速成形過程是一個非常復雜的物理冶金過程，殘余應力的形成受諸多因素的影響同樣非常復雜，應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)，一般為三維殘余應力。
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