激光沉積過(guò)程中殘余應(yīng)力的演變機(jī)制與調(diào)控策略研究

激光沉積過(guò)程中殘余應(yīng)力的演變機(jī)制與調(diào)控策略研究一、引言1.1研究背景與意義激光沉積技術(shù)作為一種先進(jìn)的增材制造方法，近年來(lái)在制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。該技術(shù)通過(guò)將金屬粉末在高能激光束的作用下熔化，并逐層沉積在基底上，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀金屬零件的快速制造。激光沉積技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，如能夠制造復(fù)雜形狀的零件、減少材料浪費(fèi)、提高生產(chǎn)效率等，因此在航空航天、汽車(chē)制造、醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在航空航天領(lǐng)域，激光沉積技術(shù)可用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、渦輪盤(pán)等關(guān)鍵零部件，這些零部件通常具有復(fù)雜的形狀和高性能要求，傳統(tǒng)制造方法難以滿足。采用激光沉積技術(shù)不僅可以縮短制造周期，還能降低成本，提高零部件的性能和可靠性。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，激光沉積技術(shù)可用于制造輕量化的汽車(chē)零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、輪轂等，有助于提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和性能。在醫(yī)療領(lǐng)域，激光沉積技術(shù)可用于制造個(gè)性化的植入物，如人工關(guān)節(jié)、牙科植入體等，能夠更好地滿足患者的需求，提高治療效果。盡管激光沉積技術(shù)具有上述諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些局限性。在激光沉積過(guò)程中，由于激光能量的高度集中和快速加熱冷卻過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致沉積層內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度和殘余應(yīng)力。這些溫度梯度和殘余應(yīng)力會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)題，如零件變形、開(kāi)裂、組織不均勻等，嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量和性能。過(guò)大的殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致零件在后續(xù)的使用過(guò)程中發(fā)生疲勞失效，降低零件的使用壽命。在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等關(guān)鍵部件若存在殘余應(yīng)力，在高速旋轉(zhuǎn)和高溫環(huán)境下，可能會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展，嚴(yán)重影響部件的使用壽命和可靠性。殘余應(yīng)力還會(huì)導(dǎo)致沉積層的尺寸精度下降，影響零件的裝配和使用性能。在模具制造中，殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致模具在后續(xù)加工和使用過(guò)程中發(fā)生變形，無(wú)法滿足高精度的尺寸要求。為了克服激光沉積技術(shù)的這些局限性，提高沉積零件的質(zhì)量和性能，研究人員開(kāi)始探索引入各種輔助技術(shù)。其中，超聲沖擊輔助技術(shù)因其獨(dú)特的作用機(jī)制和顯著的效果，受到了廣泛的關(guān)注。超聲沖擊是一種利用高頻機(jī)械振動(dòng)對(duì)材料表面進(jìn)行處理的技術(shù)，通過(guò)將超聲能量施加到沉積層表面，可以在材料內(nèi)部產(chǎn)生微觀塑性變形，從而有效地改善材料的組織結(jié)構(gòu)和性能。超聲沖擊輔助激光沉積技術(shù)能夠細(xì)化沉積層的晶粒組織。在激光沉積過(guò)程中，快速凝固容易導(dǎo)致晶粒粗大，而超聲沖擊產(chǎn)生的高頻振動(dòng)可以促進(jìn)晶粒的形核和生長(zhǎng)，使晶粒細(xì)化，從而提高材料的強(qiáng)度和韌性。該技術(shù)還可以降低沉積層的殘余應(yīng)力。超聲沖擊產(chǎn)生的微觀塑性變形能夠使殘余應(yīng)力得到釋放和重新分布，從而降低殘余應(yīng)力的峰值，提高零件的尺寸穩(wěn)定性和疲勞性能。研究超聲沖擊輔助激光沉積過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。從科學(xué)意義角度來(lái)看，深入了解溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布和演化規(guī)律，有助于揭示超聲沖擊對(duì)激光沉積過(guò)程的作用機(jī)制，為建立更加完善的理論模型提供依據(jù)。這對(duì)于豐富和發(fā)展增材制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論具有重要意義。從工程應(yīng)用價(jià)值角度來(lái)看，通過(guò)研究溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，可以為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供指導(dǎo)，從而有效控制零件的變形和殘余應(yīng)力，提高零件的質(zhì)量和性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果，可以調(diào)整激光功率、掃描速度、超聲沖擊參數(shù)等，以獲得最佳的沉積效果。這對(duì)于推動(dòng)激光沉積技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在激光沉積技術(shù)的研究歷程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)殘余應(yīng)力這一關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)了多維度的探索。早期的研究主要聚焦于殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制，試圖從激光與材料相互作用的基礎(chǔ)層面揭示其根源。隨著研究的逐步深入，研究重點(diǎn)逐漸拓展到殘余應(yīng)力的影響因素、測(cè)量方法以及控制策略等多個(gè)方面。在激光沉積殘余應(yīng)力的研究方面，國(guó)外諸多學(xué)者取得了一系列具有重要意義的成果。Smith等學(xué)者通過(guò)構(gòu)建復(fù)雜的熱-力學(xué)耦合模型，深入剖析了激光功率、掃描速度以及粉末特性等工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，激光功率的提升會(huì)導(dǎo)致材料吸收的能量增加，進(jìn)而使溫度梯度增大，殘余應(yīng)力也隨之顯著提高；而掃描速度的加快則會(huì)縮短激光作用時(shí)間，降低熱輸入，從而在一定程度上減小殘余應(yīng)力。在材料特性方面，粉末的粒度分布、流動(dòng)性以及化學(xué)成分等因素都會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響。較細(xì)的粉末能夠在激光作用下更快速地熔化和凝固，有助于減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生；而不同的化學(xué)成分會(huì)導(dǎo)致材料的熱物理性能發(fā)生變化，從而影響殘余應(yīng)力的分布。在殘余應(yīng)力的測(cè)量技術(shù)上，國(guó)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究。Johnson等學(xué)者采用X射線衍射技術(shù)，對(duì)激光沉積零件的殘余應(yīng)力進(jìn)行了精確測(cè)量。該技術(shù)利用X射線與材料晶體結(jié)構(gòu)的相互作用，通過(guò)測(cè)量衍射峰的位移來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力的大小和方向。這種方法具有非破壞性、精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地獲取材料表面的殘余應(yīng)力信息。同時(shí)，他們還結(jié)合數(shù)值模擬方法，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和分析，進(jìn)一步揭示了殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。為了有效控制殘余應(yīng)力，國(guó)外學(xué)者提出了多種方法。Brown等學(xué)者提出采用預(yù)熱和后熱處理的方法來(lái)降低殘余應(yīng)力。預(yù)熱能夠減小激光沉積過(guò)程中的溫度梯度，使材料的熱脹冷縮更加均勻，從而降低殘余應(yīng)力的產(chǎn)生；后熱處理則可以通過(guò)高溫退火的方式，使材料內(nèi)部的應(yīng)力得到釋放和重新分布，進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力。他們還研究了不同的預(yù)熱溫度和后熱處理工藝對(duì)殘余應(yīng)力的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供了重要的參考依據(jù)。國(guó)內(nèi)學(xué)者在激光沉積殘余應(yīng)力的研究領(lǐng)域也取得了豐碩的成果。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入探究了激光沉積過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的演變規(guī)律。他們建立了高精度的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模型，考慮了材料的熱物理性能隨溫度的變化、相變潛熱以及對(duì)流換熱等多種因素的影響。通過(guò)模擬不同工藝參數(shù)下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，他們揭示了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)制，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員則針對(duì)超聲沖擊輔助激光沉積技術(shù)進(jìn)行了深入研究。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲沖擊能夠有效降低殘余應(yīng)力，并對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究表明，超聲沖擊產(chǎn)生的高頻振動(dòng)能夠使材料內(nèi)部的位錯(cuò)重新分布，促進(jìn)晶粒細(xì)化，從而減小殘余應(yīng)力。同時(shí)，超聲沖擊還能夠在材料表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，抵消部分內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力，進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力水平。他們還研究了超聲沖擊參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在激光沉積殘余應(yīng)力的研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究在考慮多種因素耦合作用時(shí)，往往存在一定的局限性。在實(shí)際的激光沉積過(guò)程中，工藝參數(shù)、材料特性、超聲沖擊等因素之間相互影響、相互制約，然而目前的研究大多只是孤立地考慮某幾個(gè)因素的影響，缺乏對(duì)這些因素之間復(fù)雜耦合關(guān)系的深入研究。在殘余應(yīng)力的控制策略方面，雖然已經(jīng)提出了多種方法，但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題。預(yù)熱和后熱處理需要額外的設(shè)備和能源消耗，增加了生產(chǎn)成本；超聲沖擊輔助技術(shù)的參數(shù)優(yōu)化還缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，難以實(shí)現(xiàn)最佳的殘余應(yīng)力控制效果。在測(cè)量技術(shù)方面，雖然已經(jīng)有多種方法可以測(cè)量殘余應(yīng)力，但對(duì)于一些復(fù)雜形狀的零件和內(nèi)部殘余應(yīng)力的測(cè)量，仍然存在一定的困難?，F(xiàn)有研究在激光沉積殘余應(yīng)力的研究方面雖然取得了一定的成果，但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究和解決。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞激光沉積過(guò)程中殘余應(yīng)力的發(fā)展及控制策略展開(kāi)，旨在深入理解殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制，探究超聲沖擊輔助對(duì)其的影響，并提出有效的控制策略。具體研究?jī)?nèi)容如下：激光沉積過(guò)程中殘余應(yīng)力發(fā)展機(jī)制研究：運(yùn)用有限元模擬軟件，構(gòu)建激光沉積過(guò)程的熱-力耦合模型?？紤]激光能量輸入、材料熱物理性能隨溫度的變化、相變潛熱以及對(duì)流換熱等因素，模擬不同工藝參數(shù)下的溫度場(chǎng)分布。通過(guò)溫度場(chǎng)結(jié)果，進(jìn)一步計(jì)算殘余應(yīng)力的分布和演變規(guī)律，分析殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因和影響因素。采用實(shí)驗(yàn)研究方法，利用X射線衍射儀、中子衍射等設(shè)備，測(cè)量不同工藝參數(shù)下激光沉積試樣的殘余應(yīng)力分布。結(jié)合金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等微觀分析手段，觀察沉積層的微觀組織結(jié)構(gòu)，探究殘余應(yīng)力與微觀組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。超聲沖擊輔助對(duì)激光沉積殘余應(yīng)力的影響研究：在激光沉積過(guò)程中引入超聲沖擊輔助技術(shù)，搭建超聲沖擊輔助激光沉積實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)改變超聲沖擊的頻率、振幅、作用時(shí)間等參數(shù)，研究超聲沖擊對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。采用數(shù)值模擬方法，將超聲沖擊的作用等效為力學(xué)載荷或熱載荷，添加到激光沉積的熱-力耦合模型中。模擬超聲沖擊輔助下激光沉積過(guò)程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，分析超聲沖擊對(duì)殘余應(yīng)力的影響機(jī)制，如微觀塑性變形、晶粒細(xì)化等。激光沉積殘余應(yīng)力控制策略研究：基于前面的研究結(jié)果，提出優(yōu)化工藝參數(shù)的方法，以降低殘余應(yīng)力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究激光功率、掃描速度、粉末流量、超聲沖擊參數(shù)等對(duì)殘余應(yīng)力的影響，確定最佳的工藝參數(shù)組合。探索多種殘余應(yīng)力控制方法的協(xié)同作用，如預(yù)熱、后熱處理與超聲沖擊輔助相結(jié)合。研究不同控制方法之間的相互影響和作用效果，提出綜合控制殘余應(yīng)力的策略。在研究方法上，本研究采用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方式。實(shí)驗(yàn)研究能夠直觀地獲取激光沉積過(guò)程中的實(shí)際數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供驗(yàn)證依據(jù)。通過(guò)設(shè)計(jì)不同工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，測(cè)量殘余應(yīng)力、觀察微觀組織等，深入了解激光沉積過(guò)程的特性。數(shù)值模擬則可以對(duì)復(fù)雜的物理過(guò)程進(jìn)行建模和分析，預(yù)測(cè)不同條件下的結(jié)果，為實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)。利用有限元軟件模擬溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間，同時(shí)能夠研究難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接觀察的現(xiàn)象。理論分析為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)，深入理解激光沉積過(guò)程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制和影響因素。通過(guò)對(duì)熱傳導(dǎo)、力學(xué)原理等理論的運(yùn)用，解釋實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，提出合理的控制策略。二、激光沉積技術(shù)與殘余應(yīng)力概述2.1激光沉積技術(shù)原理與工藝激光沉積技術(shù)是一種基于快速原型制造原理的先進(jìn)增材制造技術(shù)，其基本原理是利用高能量的激光束作為能量源，將金屬粉末或絲材在激光的作用下熔化，并按照預(yù)定的加工路徑逐層沉積在基底上，經(jīng)過(guò)快速凝固后，逐步堆積形成三維實(shí)體零件。在這個(gè)過(guò)程中，激光束與材料相互作用，使材料經(jīng)歷快速加熱和冷卻的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)材料的逐層累加和成型。以金屬粉末作為原材料的激光沉積技術(shù)為例，其工藝流程通常包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：首先是模型設(shè)計(jì)與切片處理，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件創(chuàng)建零件的三維模型，然后將該模型導(dǎo)入切片軟件，將模型沿特定方向切成一系列具有一定厚度的二維切片，這些切片數(shù)據(jù)將作為后續(xù)加工的路徑規(guī)劃依據(jù)。接著是設(shè)備準(zhǔn)備，確保激光沉積設(shè)備的各個(gè)部件正常運(yùn)行，包括激光器、送粉系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等。同時(shí)，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行清理和保護(hù)，避免雜質(zhì)和灰塵對(duì)沉積過(guò)程的影響。在沉積過(guò)程中，送粉系統(tǒng)將金屬粉末按照預(yù)設(shè)的流量和速度輸送到激光束照射區(qū)域，激光束瞬間將粉末熔化，形成熔池。掃描系統(tǒng)根據(jù)切片數(shù)據(jù)控制激光束在基底上按照預(yù)定路徑進(jìn)行掃描，使熔池中的熔化材料逐層堆積，每一層沉積完成后，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下降一個(gè)層厚的距離，為下一層的沉積做好準(zhǔn)備。沉積完成后，對(duì)零件進(jìn)行后處理，包括去除支撐結(jié)構(gòu)、打磨、拋光、熱處理等，以提高零件的表面質(zhì)量和性能。在激光沉積工藝中，有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)沉積質(zhì)量和零件性能起著至關(guān)重要的作用。激光功率是指激光束輸出的能量大小，它直接影響著材料的熔化程度和熔池的溫度。較高的激光功率能夠使更多的材料快速熔化，增加沉積速率，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致溫度梯度增大，容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和變形。掃描速度決定了激光束在基底上的移動(dòng)速度，它與激光功率相互配合，共同影響著單位面積上的能量輸入。較快的掃描速度可以減少熱輸入，降低殘余應(yīng)力，但如果速度過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致粉末熔化不充分，影響沉積層的質(zhì)量和致密度。粉末流量是指單位時(shí)間內(nèi)輸送到激光作用區(qū)域的粉末質(zhì)量，合適的粉末流量能夠保證熔池中有足夠的材料供應(yīng)，維持沉積過(guò)程的穩(wěn)定性。如果粉末流量過(guò)大，可能會(huì)造成粉末堆積，影響熔池的均勻性；粉末流量過(guò)小，則可能導(dǎo)致沉積層厚度不足或出現(xiàn)孔洞等缺陷。光斑直徑是指激光束在基底上的聚焦光斑大小，較小的光斑直徑可以提高能量密度，使材料熔化更加集中，但也會(huì)增加加工難度和對(duì)設(shè)備精度的要求。激光沉積技術(shù)具有許多獨(dú)特的特點(diǎn)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀零件的直接制造，無(wú)需模具，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期和制造成本。在制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜葉片時(shí)，傳統(tǒng)方法需要制造大量的模具，成本高昂且周期長(zhǎng)，而激光沉積技術(shù)可以直接根據(jù)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行制造，無(wú)需模具，極大地提高了生產(chǎn)效率和靈活性。激光沉積過(guò)程中，材料的利用率高，因?yàn)橹挥斜患す馊刍牟牧喜艜?huì)被沉積，減少了材料的浪費(fèi)。在制造一些貴重材料的零件時(shí)，如鈦合金零件，激光沉積技術(shù)的高材料利用率優(yōu)勢(shì)尤為明顯，可以有效降低生產(chǎn)成本。該技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)材料的梯度分布，通過(guò)控制送粉系統(tǒng)，可以在沉積過(guò)程中改變粉末的成分，從而使零件在不同部位具有不同的材料性能，滿足特殊的工程需求。在制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤(pán)時(shí)，可以在盤(pán)體的不同部位沉積不同成分的合金，以滿足不同部位對(duì)強(qiáng)度、耐高溫等性能的要求。激光沉積技術(shù)在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，由于航空航天零部件通常具有復(fù)雜的形狀和高性能要求，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、渦輪盤(pán)、機(jī)匣等，這些零部件需要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等惡劣環(huán)境下工作，對(duì)材料的性能和制造精度要求極高。激光沉積技術(shù)能夠制造出滿足這些要求的零部件，同時(shí)還能減輕零件的重量，提高航空航天器的性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，激光沉積技術(shù)可用于制造輕量化的汽車(chē)零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、輪轂、底盤(pán)部件等。通過(guò)優(yōu)化零件的結(jié)構(gòu)和材料分布，不僅可以減輕汽車(chē)的重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，還能提高零件的強(qiáng)度和耐久性，提升汽車(chē)的整體性能。在醫(yī)療領(lǐng)域，激光沉積技術(shù)可以制造個(gè)性化的植入物，如人工關(guān)節(jié)、牙科植入體、顱骨修復(fù)體等。根據(jù)患者的具體情況，利用激光沉積技術(shù)可以制造出與患者身體結(jié)構(gòu)完全匹配的植入物，提高植入物的生物相容性和穩(wěn)定性，減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，提高患者的生活質(zhì)量。2.2殘余應(yīng)力的概念與分類(lèi)殘余應(yīng)力是指當(dāng)物體在外力作用、溫度變化或相變等因素消失后，仍在物體內(nèi)部保持自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。這種應(yīng)力在材料內(nèi)部長(zhǎng)期存在，雖然肉眼難以察覺(jué)，但卻對(duì)材料的性能、使用壽命和安全性產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生源于材料內(nèi)部的不均勻變形、溫度梯度以及相變等過(guò)程。在激光沉積過(guò)程中，由于激光能量的高度集中，使得材料經(jīng)歷快速加熱和冷卻的過(guò)程，這種急劇的溫度變化會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，進(jìn)而引發(fā)不均勻的熱膨脹和收縮，最終形成殘余應(yīng)力。根據(jù)殘余應(yīng)力作用范圍的不同，可將其分為宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力。宏觀殘余應(yīng)力，又稱為第一類(lèi)殘余應(yīng)力，它是在宏觀尺度上分布的應(yīng)力，其大小、方向和性質(zhì)等可以用通常的物理或機(jī)械方法進(jìn)行測(cè)量。在激光沉積制造的大型金屬零件中，由于不同部位的冷卻速度差異較大，可能會(huì)在零件整體上產(chǎn)生宏觀殘余應(yīng)力，導(dǎo)致零件發(fā)生整體變形。宏觀殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)零件的尺寸精度和形狀穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等大型零件若存在較大的宏觀殘余應(yīng)力，可能會(huì)在后續(xù)的加工和使用過(guò)程中發(fā)生變形，影響零件的裝配精度和性能。微觀殘余應(yīng)力則屬于顯微尺度范圍內(nèi)的應(yīng)力，根據(jù)其作用范圍的不同，又可細(xì)分為微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力和晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力。微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力，也稱為第二類(lèi)殘余應(yīng)力，它是在晶粒范圍內(nèi)分布的應(yīng)力。在激光沉積過(guò)程中，由于不同晶粒的生長(zhǎng)方向和取向不同，在冷卻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的收縮，從而在晶粒之間產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)影響材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能，如材料的韌性和疲勞性能。在一些金屬材料中，微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致晶粒之間的結(jié)合力減弱，從而降低材料的韌性，在承受外力時(shí)容易發(fā)生裂紋擴(kuò)展。晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力，又稱為第三類(lèi)殘余應(yīng)力，它是在一個(gè)晶粒內(nèi)部作用的應(yīng)力，主要是由于位錯(cuò)、空位等晶體缺陷的存在而產(chǎn)生的。在激光沉積的快速凝固過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的晶體缺陷，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致晶內(nèi)原子的排列發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力。晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)材料的微觀性能有著重要影響，它會(huì)影響材料的硬度、強(qiáng)度和塑性等。在一些高強(qiáng)度合金中，通過(guò)控制晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力，可以提高材料的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)也可能會(huì)降低材料的塑性。2.3殘余應(yīng)力對(duì)材料性能的影響殘余應(yīng)力作為材料內(nèi)部一種不可忽視的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)材料的性能有著多方面的顯著影響，涵蓋了力學(xué)性能、疲勞性能、耐腐蝕性等關(guān)鍵領(lǐng)域，這些影響在材料的實(shí)際應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。在力學(xué)性能方面，殘余應(yīng)力會(huì)顯著改變材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。當(dāng)材料內(nèi)部存在殘余拉應(yīng)力時(shí)，其實(shí)際承受外力的能力會(huì)降低，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也隨之下降。這是因?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力會(huì)使材料內(nèi)部的微觀缺陷更容易擴(kuò)展，從而降低了材料抵抗外力的能力。在一些金屬材料的加工過(guò)程中，如果殘余拉應(yīng)力過(guò)大，在后續(xù)的使用過(guò)程中，材料可能在遠(yuǎn)低于正?？估瓘?qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂。而殘余壓應(yīng)力則可以提高材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，因?yàn)樗軌虻窒糠滞獠渴┘拥睦瓚?yīng)力，使材料在承受更大外力時(shí)才會(huì)發(fā)生屈服和斷裂。在一些表面經(jīng)過(guò)噴丸處理的零件中，表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力可以提高零件的疲勞壽命和耐磨性，這是因?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力可以阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展。殘余應(yīng)力還會(huì)影響材料的塑性和韌性。殘余拉應(yīng)力會(huì)降低材料的塑性和韌性，使材料變得更加脆硬，容易發(fā)生脆性斷裂。在焊接過(guò)程中，由于焊接熱循環(huán)產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的塑性和韌性下降，在承受沖擊載荷時(shí)容易發(fā)生斷裂。殘余壓應(yīng)力則可以在一定程度上提高材料的塑性和韌性，使材料在受力時(shí)能夠發(fā)生更多的塑性變形，從而吸收更多的能量，提高材料的抗斷裂能力。殘余應(yīng)力對(duì)材料的疲勞性能有著極為關(guān)鍵的影響。材料在循環(huán)載荷作用下，疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展是導(dǎo)致疲勞失效的主要原因。殘余拉應(yīng)力會(huì)加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，降低材料的疲勞壽命。這是因?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力會(huì)使材料表面的微觀缺陷更容易擴(kuò)展，形成疲勞裂紋的起始點(diǎn)。在交變載荷的作用下，殘余拉應(yīng)力會(huì)與外部載荷產(chǎn)生疊加，進(jìn)一步加速裂紋的擴(kuò)展速度。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片中，由于工作過(guò)程中承受著復(fù)雜的循環(huán)載荷，若葉片內(nèi)部存在殘余拉應(yīng)力，疲勞裂紋會(huì)更快地萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致葉片的疲勞壽命大幅縮短。相反，殘余壓應(yīng)力可以有效地抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高材料的疲勞壽命。殘余壓應(yīng)力可以使材料表面的微觀缺陷處于受壓狀態(tài)，從而阻礙裂紋的萌生。在裂紋擴(kuò)展階段，殘余壓應(yīng)力可以抵消部分外部載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力，減緩裂紋的擴(kuò)展速度。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸中，通過(guò)表面滾壓等工藝引入殘余壓應(yīng)力，可以顯著提高曲軸的疲勞壽命，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。殘余應(yīng)力對(duì)材料的耐腐蝕性也有著重要的影響。在腐蝕環(huán)境中，殘余拉應(yīng)力會(huì)加速材料的腐蝕速度，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等問(wèn)題的發(fā)生。殘余拉應(yīng)力會(huì)使材料表面的原子處于高能狀態(tài)，更容易與腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。殘余拉應(yīng)力還會(huì)導(dǎo)致材料表面的微裂紋擴(kuò)展，為腐蝕介質(zhì)提供了侵入材料內(nèi)部的通道，從而加速腐蝕的進(jìn)程。在一些化工設(shè)備中，如儲(chǔ)存腐蝕性液體的容器，如果材料內(nèi)部存在殘余拉應(yīng)力，在腐蝕介質(zhì)的作用下，容器表面可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，導(dǎo)致容器泄漏，引發(fā)安全事故。而殘余壓應(yīng)力則可以提高材料的耐腐蝕性，因?yàn)樗梢允共牧媳砻娓又旅埽瑴p少腐蝕介質(zhì)的侵入。在一些海洋工程結(jié)構(gòu)中，通過(guò)對(duì)材料表面進(jìn)行噴丸處理，引入殘余壓應(yīng)力，可以提高材料在海洋環(huán)境中的耐腐蝕性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。三、激光沉積過(guò)程中殘余應(yīng)力的發(fā)展機(jī)制3.1殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因3.1.1熱應(yīng)力在激光沉積過(guò)程中，熱應(yīng)力是導(dǎo)致殘余應(yīng)力產(chǎn)生的重要因素之一。激光束作為高能量密度的熱源，在極短時(shí)間內(nèi)將能量集中傳遞給金屬粉末或基底材料，使材料迅速熔化形成熔池。由于激光能量的高度集中，熔池及其附近區(qū)域的溫度急劇升高，而遠(yuǎn)離熔池的區(qū)域溫度相對(duì)較低，這就導(dǎo)致了材料內(nèi)部形成較大的溫度梯度。這種顯著的溫度梯度會(huì)引發(fā)材料的不均勻熱膨脹和收縮。在加熱階段，熔池區(qū)域的材料因溫度升高而膨脹，然而周?chē)蜏貐^(qū)域的材料對(duì)其膨脹產(chǎn)生約束，使得熔池區(qū)域材料內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。隨著激光束的移動(dòng)，熔池中的材料快速冷卻凝固，此時(shí)熔池區(qū)域的材料收縮，而周?chē)涯痰牟牧舷拗屏似涫湛s，從而在熔池區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種由于溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮不均勻而產(chǎn)生的應(yīng)力就是熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的大小與激光功率、掃描速度、光斑直徑等工藝參數(shù)密切相關(guān)。較高的激光功率會(huì)使材料吸收更多的能量，導(dǎo)致熔池溫度更高，溫度梯度增大，從而產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力。當(dāng)激光功率從200W增加到300W時(shí)，熱應(yīng)力可能會(huì)顯著增加。掃描速度的變化也會(huì)影響熱應(yīng)力的大小，較快的掃描速度會(huì)使激光作用時(shí)間縮短，熱輸入減少，溫度梯度相對(duì)減小，熱應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)降低。光斑直徑的大小會(huì)影響能量的分布，較小的光斑直徑會(huì)使能量更加集中，導(dǎo)致溫度梯度增大，熱應(yīng)力增加。材料本身的熱物理性能，如熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等，也對(duì)熱應(yīng)力有重要影響。熱膨脹系數(shù)較大的材料，在溫度變化時(shí)，其熱脹冷縮的程度更為明顯，更容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料，熱量傳遞較慢，會(huì)加劇溫度梯度的形成，從而增大熱應(yīng)力。在激光沉積鋁合金和鈦合金時(shí)，由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)比鈦合金大，在相同的工藝條件下，鋁合金沉積層中產(chǎn)生的熱應(yīng)力通常會(huì)比鈦合金更大。3.1.2相變應(yīng)力相變應(yīng)力是激光沉積過(guò)程中殘余應(yīng)力產(chǎn)生的另一個(gè)重要原因。在激光沉積過(guò)程中，材料經(jīng)歷快速加熱和冷卻，在這個(gè)過(guò)程中，材料的組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相變，不同相之間的比容差異會(huì)導(dǎo)致相變應(yīng)力的產(chǎn)生。以鋼鐵材料為例，在激光沉積過(guò)程中，當(dāng)材料被加熱到高溫時(shí)，會(huì)發(fā)生奧氏體相變。隨著溫度的升高，鐵素體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，奧氏體的比容比鐵素體小。在冷卻階段，奧氏體又會(huì)向馬氏體或珠光體等其他相轉(zhuǎn)變，馬氏體的比容比奧氏體大。這種相變過(guò)程中比容的變化，會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于馬氏體比容較大，相變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，而周?chē)窗l(fā)生相變的材料會(huì)對(duì)這種膨脹產(chǎn)生約束，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生相變應(yīng)力。相變應(yīng)力的大小與相變溫度范圍、相變潛熱以及材料的相變特性等因素密切相關(guān)。較寬的相變溫度范圍會(huì)使相變過(guò)程中的體積變化更加復(fù)雜，從而產(chǎn)生更大的相變應(yīng)力。相變潛熱的釋放也會(huì)影響材料的溫度分布和應(yīng)力狀態(tài)，增加相變應(yīng)力的產(chǎn)生。不同材料的相變特性不同，其產(chǎn)生的相變應(yīng)力也會(huì)有所差異。在一些高合金鋼中，由于合金元素的加入，會(huì)改變材料的相變溫度和相變過(guò)程，從而影響相變應(yīng)力的大小和分布。3.1.3機(jī)械約束機(jī)械約束在激光沉積過(guò)程中同樣對(duì)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生起著重要作用。在沉積過(guò)程中，沉積層與基底以及已沉積層之間存在著相互約束的關(guān)系。當(dāng)新的一層材料沉積在已有的沉積層或基底上時(shí)，由于它們之間的熱膨脹和收縮特性不完全相同，會(huì)產(chǎn)生相互約束的作用。在激光沉積初期，基底通常處于室溫狀態(tài)，而沉積層在激光加熱下迅速升溫并熔化。當(dāng)沉積層冷卻凝固時(shí)，它會(huì)試圖收縮，但受到基底的約束，這種約束限制了沉積層的自由收縮，從而在沉積層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。隨著沉積層數(shù)的增加，各層之間也會(huì)相互約束，進(jìn)一步加劇殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。在多層激光沉積過(guò)程中，較上層的沉積層在冷卻時(shí)，會(huì)受到下層已凝固沉積層的約束，導(dǎo)致較上層沉積層產(chǎn)生拉應(yīng)力，而下層沉積層則受到相反方向的應(yīng)力作用。此外，在激光沉積過(guò)程中，零件的幾何形狀和結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)機(jī)械約束產(chǎn)生影響。復(fù)雜形狀的零件，如具有薄壁、懸臂等結(jié)構(gòu)的零件，由于不同部位的約束條件不同，更容易產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布。在薄壁結(jié)構(gòu)中，由于其散熱速度較快，與周?chē)^厚部位的熱膨脹和收縮差異較大，會(huì)在薄壁處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。三、激光沉積過(guò)程中殘余應(yīng)力的發(fā)展機(jī)制3.2影響殘余應(yīng)力發(fā)展的因素3.2.1工藝參數(shù)工藝參數(shù)在激光沉積過(guò)程中對(duì)殘余應(yīng)力的發(fā)展起著關(guān)鍵的調(diào)控作用，其中激光功率、掃描速度和粉末層厚度是幾個(gè)最為重要的參數(shù)。激光功率作為影響殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素之一，對(duì)沉積過(guò)程中的能量輸入起著決定性作用。當(dāng)激光功率增加時(shí)，材料吸收的能量顯著增多，這使得熔池的溫度急劇升高，進(jìn)而導(dǎo)致材料內(nèi)部的溫度梯度增大。這種增大的溫度梯度會(huì)引發(fā)更強(qiáng)烈的熱應(yīng)力，從而使殘余應(yīng)力顯著增大。有研究表明，在對(duì)某鈦合金進(jìn)行激光沉積時(shí)，當(dāng)激光功率從200W提升至300W，殘余應(yīng)力的峰值從50MPa左右大幅攀升至100MPa以上，且在整個(gè)沉積層內(nèi)的殘余應(yīng)力分布也更加不均勻，導(dǎo)致零件的變形風(fēng)險(xiǎn)大幅增加。這是因?yàn)楦吖β始す馐谷鄢刂械牟牧峡焖偃刍湍蹋瑹崦浝淇s的程度更加劇烈，使得材料內(nèi)部的應(yīng)力積累加劇。掃描速度同樣對(duì)殘余應(yīng)力有著重要影響。隨著掃描速度的加快，激光束在單位面積上的作用時(shí)間縮短，這意味著材料吸收的能量減少，熱輸入降低。較低的熱輸入使得熔池的溫度相對(duì)較低，溫度梯度減小，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力減小。在對(duì)鋁合金進(jìn)行激光沉積實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)掃描速度從5mm/s提高到10mm/s，殘余應(yīng)力明顯降低，零件的變形量也隨之減小。這是因?yàn)榭焖賿呙铚p少了材料的受熱時(shí)間，使材料的熱脹冷縮更加均勻，從而降低了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。如果掃描速度過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致粉末熔化不充分，出現(xiàn)未熔合等缺陷，反而影響零件的質(zhì)量和性能。粉末層厚度對(duì)殘余應(yīng)力的影響也不容忽視。較厚的粉末層在激光作用下，需要更多的能量來(lái)完全熔化，這可能導(dǎo)致熔池溫度不均勻，溫度梯度增大，進(jìn)而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。較厚的粉末層在沉積過(guò)程中，由于重力和堆積效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致粉末分布不均勻，進(jìn)一步影響熔池的穩(wěn)定性和殘余應(yīng)力的分布。在對(duì)不銹鋼進(jìn)行激光沉積時(shí)，當(dāng)粉末層厚度從0.3mm增加到0.5mm，殘余應(yīng)力明顯增大，且在沉積層內(nèi)部出現(xiàn)了更多的應(yīng)力集中區(qū)域。而較薄的粉末層雖然可以使粉末更易熔化，減少殘余應(yīng)力，但過(guò)小的粉末層厚度會(huì)降低沉積效率，增加加工時(shí)間和成本。工藝參數(shù)之間還存在著復(fù)雜的耦合作用。激光功率和掃描速度的匹配不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力的異常增大。在高激光功率和低掃描速度的組合下，材料吸收的能量過(guò)多，熱輸入過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生極高的溫度梯度和殘余應(yīng)力；而在低激光功率和高掃描速度的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)粉末熔化不充分的問(wèn)題，影響零件的質(zhì)量。粉末層厚度與激光功率、掃描速度之間也需要合理匹配，以確保粉末能夠充分熔化，同時(shí)又能控制殘余應(yīng)力在合理范圍內(nèi)。3.2.2材料特性材料特性是影響激光沉積過(guò)程中殘余應(yīng)力的內(nèi)在因素，其中熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和彈性模量等特性對(duì)殘余應(yīng)力有著重要的影響。熱膨脹系數(shù)是材料在溫度變化時(shí)膨脹或收縮程度的度量。在激光沉積過(guò)程中，材料經(jīng)歷快速的加熱和冷卻過(guò)程，熱膨脹系數(shù)較大的材料在溫度變化時(shí)，其體積變化更為顯著。當(dāng)材料被激光加熱時(shí)，熱膨脹系數(shù)大的材料會(huì)迅速膨脹，而周?chē)鷾囟容^低的材料會(huì)對(duì)其膨脹產(chǎn)生約束，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力。在冷卻過(guò)程中，這種材料又會(huì)迅速收縮，同樣受到周?chē)牧系募s束，進(jìn)一步加劇了應(yīng)力的產(chǎn)生。鋁合金的熱膨脹系數(shù)相對(duì)較大，在激光沉積鋁合金零件時(shí)，殘余應(yīng)力往往比熱膨脹系數(shù)較小的材料（如鈦合金）更大。研究表明，在相同的激光沉積工藝條件下，鋁合金沉積層中的殘余應(yīng)力可能比鈦合金沉積層高出30%-50%，這使得鋁合金零件更容易出現(xiàn)變形和開(kāi)裂等問(wèn)題。導(dǎo)熱系數(shù)決定了材料傳導(dǎo)熱量的能力。導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料在激光沉積過(guò)程中，熱量傳遞較慢，這會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部的溫度分布不均勻，形成較大的溫度梯度。較大的溫度梯度會(huì)引發(fā)熱應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而增加殘余應(yīng)力。在對(duì)陶瓷材料進(jìn)行激光沉積時(shí)，由于陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量在材料內(nèi)部難以迅速擴(kuò)散，使得熔池周?chē)臏囟忍荻群艽?，殘余?yīng)力也相應(yīng)增大。相比之下，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般較高，熱量能夠較快地傳導(dǎo)，溫度分布相對(duì)均勻，殘余應(yīng)力相對(duì)較小。在對(duì)銅合金進(jìn)行激光沉積時(shí)，由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)較高，沉積層內(nèi)的溫度梯度較小，殘余應(yīng)力也較低，零件的質(zhì)量和性能更容易得到保證。彈性模量反映了材料抵抗彈性變形的能力。彈性模量較大的材料在受到外力作用時(shí)，產(chǎn)生的彈性變形較小，這意味著在激光沉積過(guò)程中，材料內(nèi)部的應(yīng)力更容易積累。當(dāng)材料在激光加熱和冷卻過(guò)程中發(fā)生熱脹冷縮時(shí)，彈性模量高的材料難以通過(guò)彈性變形來(lái)緩解應(yīng)力，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大。在激光沉積高強(qiáng)度合金鋼時(shí)，由于其彈性模量較大，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和積累更為明顯，零件在后續(xù)加工和使用過(guò)程中更容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。而彈性模量較小的材料，在一定程度上能夠通過(guò)彈性變形來(lái)緩沖應(yīng)力，降低殘余應(yīng)力的水平。在對(duì)一些低模量的金屬基復(fù)合材料進(jìn)行激光沉積時(shí)，雖然材料的強(qiáng)度相對(duì)較低，但殘余應(yīng)力也相對(duì)較小，有利于保證零件的完整性和穩(wěn)定性。3.2.3零件幾何形狀零件的幾何形狀是影響激光沉積過(guò)程中殘余應(yīng)力分布的重要因素，其尺寸大小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等方面都會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生顯著的影響。尺寸大小不同的零件在激光沉積過(guò)程中，殘余應(yīng)力的分布和大小存在明顯差異。對(duì)于尺寸較大的零件，由于其體積較大，在激光沉積過(guò)程中，不同部位的散熱條件和熱傳導(dǎo)路徑不同，導(dǎo)致溫度分布更加不均勻，從而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。在激光沉積大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣時(shí)，機(jī)匣的不同部位與基底的接觸面積和散熱方式不同，使得機(jī)匣內(nèi)部的溫度梯度較大，殘余應(yīng)力也相應(yīng)增大。研究表明，大型零件的殘余應(yīng)力峰值可能比小型零件高出50%以上，且殘余應(yīng)力在零件內(nèi)部的分布更加復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。而尺寸較小的零件，由于其散熱相對(duì)均勻，溫度梯度較小，殘余應(yīng)力也相對(duì)較小。在激光沉積小型的電子元件外殼時(shí)，由于零件尺寸小，熱量能夠迅速散發(fā)，殘余應(yīng)力水平較低，零件的變形和開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)也較小。零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度對(duì)殘余應(yīng)力的影響更為顯著。具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，如帶有薄壁、懸臂、孔洞等特征的零件，其殘余應(yīng)力分布更加復(fù)雜，且更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在薄壁結(jié)構(gòu)中，由于薄壁部分的散熱速度較快，與周?chē)^厚部位的熱膨脹和收縮差異較大，會(huì)在薄壁處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。在激光沉積帶有薄壁結(jié)構(gòu)的模具時(shí)，薄壁部位的殘余應(yīng)力往往是其他部位的數(shù)倍，容易導(dǎo)致薄壁處出現(xiàn)裂紋和變形。懸臂結(jié)構(gòu)在激光沉積過(guò)程中，由于懸臂部分的支撐條件較差，在熱應(yīng)力和自身重力的作用下，容易產(chǎn)生較大的變形和殘余應(yīng)力?？锥唇Y(jié)構(gòu)會(huì)改變零件的應(yīng)力分布，使得孔洞周?chē)膽?yīng)力集中，增加了零件的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。在激光沉積帶有孔洞的葉輪時(shí)，孔洞周?chē)臍堄鄳?yīng)力明顯高于其他部位，且在使用過(guò)程中，孔洞周?chē)菀壮霈F(xiàn)疲勞裂紋。零件的幾何形狀還會(huì)影響激光沉積過(guò)程中的熱量傳遞和材料的流動(dòng)。復(fù)雜的幾何形狀可能會(huì)導(dǎo)致激光能量的不均勻分布，使得材料的熔化和凝固過(guò)程不一致，進(jìn)一步加劇了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布的不均勻性。在激光沉積具有復(fù)雜曲面的零件時(shí)，激光束在不同部位的入射角和能量吸收率不同，導(dǎo)致材料的熔化和凝固速度不同，從而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。3.3殘余應(yīng)力的發(fā)展過(guò)程與分布規(guī)律在激光沉積的初始階段，當(dāng)激光束作用于基底材料時(shí)，基底表面迅速吸收激光能量，溫度急劇升高，形成一個(gè)高溫的熔池。此時(shí)，熔池周?chē)牟牧蠝囟认鄬?duì)較低，由于熱脹冷縮的差異，熔池區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力，而周?chē)鷧^(qū)域則受到拉應(yīng)力的作用。隨著激光束的移動(dòng)，熔池中的材料快速冷卻凝固，熔池區(qū)域的材料收縮，而周?chē)涯痰牟牧舷拗屏似涫湛s，使得熔池區(qū)域的壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。在這個(gè)階段，殘余應(yīng)力的分布主要集中在熔池及其附近區(qū)域，且應(yīng)力梯度較大。隨著沉積層數(shù)的增加，每一層的沉積都會(huì)重復(fù)上述的加熱和冷卻過(guò)程，殘余應(yīng)力逐漸累積。在多層沉積過(guò)程中，下層已凝固的沉積層會(huì)對(duì)上層新沉積層的收縮產(chǎn)生約束，導(dǎo)致上層沉積層產(chǎn)生拉應(yīng)力，而下層沉積層則受到相反方向的應(yīng)力作用。這種層間的相互約束作用使得殘余應(yīng)力在沉積層中不斷積累和重新分布。在一個(gè)由10層沉積層組成的激光沉積零件中，通過(guò)有限元模擬發(fā)現(xiàn)，從第1層到第5層，殘余應(yīng)力逐漸增大，且在沉積層的中心區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；從第5層到第10層，殘余應(yīng)力雖然有所波動(dòng)，但整體仍保持在較高水平，且在零件的邊緣區(qū)域也出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中。在激光沉積過(guò)程接近尾聲時(shí)，由于零件整體的溫度逐漸降低，熱應(yīng)力的產(chǎn)生逐漸減少，但殘余應(yīng)力已經(jīng)在零件內(nèi)部形成了復(fù)雜的分布。此時(shí)，殘余應(yīng)力的分布不僅與沉積過(guò)程中的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力有關(guān)，還與零件的幾何形狀、尺寸等因素密切相關(guān)。對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，如具有薄壁、懸臂等結(jié)構(gòu)的零件，在這些結(jié)構(gòu)部位更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，殘余應(yīng)力的分布也更加不均勻。在一個(gè)帶有薄壁結(jié)構(gòu)的激光沉積零件中，薄壁部位的殘余應(yīng)力是其他部位的數(shù)倍，且在薄壁與厚壁的過(guò)渡區(qū)域，殘余應(yīng)力的梯度變化非常大。殘余應(yīng)力在零件不同部位的分布呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。在零件的表面，由于直接與外界環(huán)境接觸，散熱速度較快，溫度變化較大，因此表面的殘余應(yīng)力通常以拉應(yīng)力為主。在對(duì)鋁合金激光沉積零件的表面殘余應(yīng)力測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，表面的殘余拉應(yīng)力峰值可達(dá)200MPa以上。在零件的內(nèi)部，由于受到周?chē)牧系募s束，殘余應(yīng)力的分布相對(duì)復(fù)雜。在沉積層的中心區(qū)域，由于熱傳導(dǎo)和材料收縮的不均勻性，往往會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力；而在沉積層與基底的結(jié)合部位，由于兩者的熱膨脹系數(shù)和力學(xué)性能差異，會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，殘余應(yīng)力的大小和方向都可能發(fā)生劇烈變化。在零件的邊緣部位，由于約束條件的變化，殘余應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，通常會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展。在一個(gè)圓形的激光沉積零件邊緣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力的集中系數(shù)可達(dá)1.5以上，即邊緣部位的殘余應(yīng)力是零件內(nèi)部平均殘余應(yīng)力的1.5倍以上。四、激光沉積殘余應(yīng)力的測(cè)量與分析方法4.1殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)4.1.1鉆孔法鉆孔法是一種基于應(yīng)力釋放原理的殘余應(yīng)力測(cè)量方法，在工業(yè)實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。其測(cè)量原理基于材料力學(xué)中的應(yīng)力釋放原理，當(dāng)在材料表面鉆孔時(shí)，孔周?chē)牟牧蠒?huì)發(fā)生彈性變形，這種變形受到材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響。通過(guò)測(cè)量鉆孔后的表面位移，可確定孔周?chē)臍堄鄳?yīng)力狀態(tài)。在實(shí)際操作中，首先要選擇合適的材料試件，并對(duì)其表面進(jìn)行處理，確保表面平整無(wú)雜質(zhì)，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。使用高精度的鉆機(jī)在材料試件表面鉆孔，鉆孔直徑一般在0.5-1.0mm之間，孔深約為10-20mm，這樣的尺寸既能保證有效地釋放殘余應(yīng)力，又能盡量減少對(duì)材料整體性能的影響。在鉆孔前、鉆孔后和取下鉆屑后，分別使用光學(xué)顯微鏡觀察孔周?chē)谋砻嫘蚊?，并詳?xì)記錄下來(lái)。根據(jù)觀察到的表面形貌變化，計(jì)算出鉆孔前后的位移量。再根據(jù)位移量和材料的彈性常數(shù)，利用應(yīng)力釋放原理計(jì)算孔周?chē)臍堄鄳?yīng)力。鉆孔法具有諸多優(yōu)點(diǎn)。它對(duì)構(gòu)件的破壞性相對(duì)較小，雖然需要在材料表面鉆孔，但鉆孔的直徑和深度都控制在一定范圍內(nèi)，對(duì)材料的整體結(jié)構(gòu)和性能影響有限，屬于應(yīng)變無(wú)損測(cè)量方法。該方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單方便，不需要復(fù)雜的設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)知識(shí)，易于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。鉆孔法的測(cè)量精度較高，能夠滿足大多數(shù)工程應(yīng)用的需求。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T31310-2014還將其分為高速法和低速法，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求，低速法適用于表面殘余應(yīng)力的平均值測(cè)量，而高速法適用于更復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布測(cè)量，如焊接后的應(yīng)力分析。鉆孔法也存在一些局限性。它只能測(cè)量鉆孔周?chē)植繀^(qū)域的殘余應(yīng)力，對(duì)于材料內(nèi)部整體的殘余應(yīng)力分布情況難以全面掌握。測(cè)量結(jié)果受鉆孔直徑和深度的精度、表面處理質(zhì)量、觀察和測(cè)量誤差以及材料本身力學(xué)性能等多種因素的影響。鉆孔直徑和深度的變化會(huì)影響位移量的測(cè)量精度，進(jìn)而影響殘余應(yīng)力的計(jì)算精度；表面處理不干凈會(huì)導(dǎo)致鉆頭受損，影響鉆孔質(zhì)量；觀察和測(cè)量表面形貌變化的過(guò)程中可能存在誤差，導(dǎo)致位移量的計(jì)算不準(zhǔn)確；材料的彈性常數(shù)等力學(xué)性能參數(shù)的準(zhǔn)確性也會(huì)影響殘余應(yīng)力的計(jì)算精度。4.1.2X射線衍射法X射線衍射法是一種基于晶體衍射現(xiàn)象的殘余應(yīng)力測(cè)量方法，在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，被認(rèn)為是準(zhǔn)確可靠的殘余應(yīng)力測(cè)量方法之一。其基本原理是根據(jù)X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量晶面間距的變化來(lái)推算殘余應(yīng)力。當(dāng)試樣中存在殘余應(yīng)力時(shí)，晶面間距將發(fā)生變化，發(fā)生布拉格衍射時(shí)，產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動(dòng)，而且移動(dòng)距離的大小與應(yīng)力大小相關(guān)。用波長(zhǎng)λ的X射線，先后數(shù)次以不同的入射角照射到試樣上，測(cè)出相應(yīng)的衍射角2θ，求出2θ對(duì)sin2ψ的斜率M，便可算出應(yīng)力σψ。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，首先要將樣品固定在測(cè)角臺(tái)上，確保表面平整，以保證X射線能夠準(zhǔn)確地照射到樣品表面并產(chǎn)生清晰的衍射圖案。根據(jù)布拉格定律計(jì)算晶面間距的變化，進(jìn)而推算殘余應(yīng)力。X射線衍射方法主要是測(cè)試沿試樣表面某一方向上的內(nèi)應(yīng)力σφ，由于X射線對(duì)試樣的穿入能力有限，只能探測(cè)試樣的表層應(yīng)力，這種表層應(yīng)力分布可視為二維應(yīng)力狀態(tài)，其垂直試樣的主應(yīng)力σ33≈0。X射線衍射法具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)。它的測(cè)量精度高，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出材料表面的殘余應(yīng)力，理論完善，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和研究，已經(jīng)形成了一套成熟的理論體系。該方法適用范圍廣泛，可以應(yīng)用于各種金屬、陶瓷等晶體材料的殘余應(yīng)力測(cè)量。它還是一種無(wú)損檢測(cè)方法，不會(huì)對(duì)樣品造成破壞，能夠保持樣品的完整性，這對(duì)于一些珍貴的樣品或?qū)Ρ砻尜|(zhì)量要求較高的樣品尤為重要。X射線衍射法也存在一些不足之處。其設(shè)備昂貴，需要專業(yè)的X射線衍射儀，這增加了測(cè)量成本，限制了其在一些小型企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。該方法對(duì)樣品表面要求高，需要樣品表面平整、光滑，否則會(huì)影響衍射圖案的質(zhì)量，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。X射線衍射法只能測(cè)量材料表面的殘余應(yīng)力，對(duì)于材料內(nèi)部深處的殘余應(yīng)力無(wú)法直接測(cè)量，如果需要測(cè)量材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力或者測(cè)量應(yīng)力梯度，其能力則顯得有些不足，通常需要采用剝層法等輔助方法來(lái)解決。4.1.3中子衍射法中子衍射法是一種用于測(cè)量材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的重要方法，尤其適用于對(duì)材料內(nèi)部應(yīng)力分布有深入了解需求的研究和應(yīng)用場(chǎng)景。其測(cè)量原理與X射線衍射法相似，但采用中子作為入射束。中子具有較強(qiáng)的穿透能力，這使得它能夠深入材料內(nèi)部，與材料中的原子相互作用產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。通過(guò)研究衍射束的峰值位置和強(qiáng)度，可獲取材料內(nèi)部的應(yīng)力或應(yīng)變數(shù)據(jù)。在進(jìn)行中子衍射測(cè)量時(shí)，首先需要將樣品放入中子衍射儀的反應(yīng)堆孔道中，確保樣品能夠充分接受中子束的照射。當(dāng)中子束照射到樣品上時(shí)，會(huì)與樣品中的原子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。根據(jù)衍射角的變化，可以計(jì)算出殘余應(yīng)力。由于中子的穿透深度比X射線大得多，能夠穿透數(shù)十毫米的材料，因此可以用來(lái)測(cè)量焊接構(gòu)件沿層深的殘余應(yīng)力，以及材料內(nèi)部深處的三維應(yīng)力分布。中子衍射法的優(yōu)點(diǎn)十分突出。它能夠測(cè)量材料內(nèi)部的三維應(yīng)力分布，這對(duì)于全面了解材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)至關(guān)重要。在研究大型焊接結(jié)構(gòu)、鑄件等材料時(shí)，中子衍射法可以提供關(guān)于材料內(nèi)部不同位置應(yīng)力分布的詳細(xì)信息，有助于分析材料的性能和可靠性。由于材料中參與反射的區(qū)域較大，中子衍射法可測(cè)定很大區(qū)域內(nèi)基體中平均殘余應(yīng)力，能夠反映材料整體的應(yīng)力情況。中子衍射法也存在一些限制。對(duì)設(shè)備要求高，需要在核反應(yīng)堆等大型設(shè)施中進(jìn)行測(cè)量，這使得測(cè)量成本高昂，限制了其廣泛應(yīng)用。中子衍射實(shí)驗(yàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力來(lái)進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。中子源的獲取相對(duì)困難，不是所有的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都具備開(kāi)展中子衍射實(shí)驗(yàn)的條件。4.1.4其他方法除了上述常見(jiàn)的殘余應(yīng)力測(cè)量方法外，還有激光超聲法、數(shù)字圖像相關(guān)法等其他方法，它們?cè)诓煌膽?yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著獨(dú)特的作用。激光超聲法是一種基于激光與材料相互作用產(chǎn)生超聲波的原理來(lái)測(cè)量殘余應(yīng)力的方法。通過(guò)激光在材料表面激發(fā)超聲波，超聲波在材料內(nèi)部傳播時(shí)，其速度和波形會(huì)受到殘余應(yīng)力的影響。通過(guò)測(cè)量超聲波的傳播特性，如速度、頻率等變化，利用聲彈性原理可以計(jì)算出材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布。在對(duì)金屬材料進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量時(shí)，激光超聲法可以快速地獲取材料表面和亞表面的殘余應(yīng)力信息。該方法具有非接觸、測(cè)量速度快、可對(duì)復(fù)雜形狀構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，適用于在線檢測(cè)和對(duì)測(cè)量速度要求較高的場(chǎng)合。激光超聲法也存在一些不足，如測(cè)量精度受材料表面狀態(tài)、激光能量穩(wěn)定性等因素影響較大，對(duì)于一些高精度的測(cè)量需求可能無(wú)法滿足。數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）是一種利用相機(jī)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來(lái)測(cè)量材料表面應(yīng)變，從而推斷殘余應(yīng)力分布的方法。在材料表面噴涂隨機(jī)散斑圖案，通過(guò)相機(jī)拍攝材料在受力前后的表面圖像，利用數(shù)字圖像相關(guān)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，計(jì)算出散斑的位移和變形，進(jìn)而得到材料表面的應(yīng)變分布。根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，可以將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為殘余應(yīng)力。數(shù)字圖像相關(guān)法適用于各種材料，包括復(fù)雜幾何形狀的構(gòu)件，能夠直觀地展示材料表面的應(yīng)變和應(yīng)力分布情況，對(duì)于研究材料的變形和破壞機(jī)制具有重要意義。該方法的測(cè)量精度相對(duì)較低，對(duì)于微小應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量可能存在一定誤差，且對(duì)圖像采集設(shè)備和圖像處理算法的要求較高。4.2數(shù)值模擬分析方法數(shù)值模擬作為一種強(qiáng)大的研究工具，在殘余應(yīng)力研究領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方式，對(duì)激光沉積過(guò)程中復(fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，為殘余應(yīng)力的研究提供了新的視角和方法。在激光沉積過(guò)程中，涉及到多種物理場(chǎng)的相互作用，如溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)等，數(shù)值模擬可以將這些物理場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，揭示它們之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互影響機(jī)制。通過(guò)數(shù)值模擬，可以預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下的殘余應(yīng)力分布，為工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)，從而減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低研發(fā)成本，提高生產(chǎn)效率。在殘余應(yīng)力研究中，常用的數(shù)值模擬軟件有ANSYS、ABAQUS、COMSOLMultiphysics等。ANSYS是一款功能強(qiáng)大的通用有限元分析軟件，在殘余應(yīng)力模擬中具有廣泛的應(yīng)用。它擁有豐富的材料模型庫(kù)，能夠準(zhǔn)確地模擬各種材料在不同工況下的力學(xué)行為。在激光沉積殘余應(yīng)力模擬中，ANSYS可以通過(guò)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析模塊，考慮激光能量輸入、材料熱物理性能隨溫度的變化以及相變潛熱等因素，精確地計(jì)算溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布。ABAQUS也是一款知名的有限元分析軟件，其非線性分析能力尤為突出。在處理激光沉積過(guò)程中材料的大變形、接觸非線性等復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，ABAQUS能夠提供準(zhǔn)確的解決方案。它可以通過(guò)定義合適的接觸算法和邊界條件，模擬沉積層與基底之間的相互作用，以及多層沉積過(guò)程中層間的約束和應(yīng)力傳遞。COMSOLMultiphysics是一款多物理場(chǎng)耦合分析軟件，它采用有限元方法，能夠?qū)Ω鞣N物理場(chǎng)進(jìn)行精確建模和求解。在殘余應(yīng)力模擬中，COMSOLMultiphysics可以方便地實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)的耦合分析，考慮激光沉積過(guò)程中的對(duì)流換熱、輻射換熱等因素，使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際情況。常用的模擬方法主要包括有限元法、有限差分法和有限體積法。有限元法是目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值模擬方法之一。它將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元的組合，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行力學(xué)分析，建立單元的剛度矩陣和載荷向量，然后將所有單元的方程進(jìn)行組裝，得到整個(gè)求解域的方程組，通過(guò)求解方程組得到各節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力等物理量。在激光沉積殘余應(yīng)力模擬中，有限元法可以將沉積層和基底劃分為多個(gè)有限元單元，考慮材料的非線性特性和復(fù)雜的邊界條件，精確地計(jì)算殘余應(yīng)力的分布和演化。有限差分法是一種基于泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)的數(shù)值計(jì)算方法，它將求解域劃分為一系列網(wǎng)格，通過(guò)在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上對(duì)偏微分方程進(jìn)行離散化，將其轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進(jìn)行求解。在激光沉積溫度場(chǎng)模擬中，有限差分法可以通過(guò)對(duì)熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行離散化，計(jì)算不同時(shí)刻、不同位置的溫度值，進(jìn)而為殘余應(yīng)力的計(jì)算提供溫度數(shù)據(jù)。有限體積法是一種在計(jì)算流體力學(xué)中廣泛應(yīng)用的數(shù)值方法，它將求解域劃分為一系列控制體積，通過(guò)對(duì)每個(gè)控制體積內(nèi)的物理量進(jìn)行積分，建立離散的守恒方程，然后求解這些方程得到物理量的分布。在激光沉積過(guò)程中，有限體積法可以用于模擬熔池內(nèi)的流體流動(dòng)和傳熱過(guò)程，考慮熔池內(nèi)的對(duì)流、擴(kuò)散等因素，為殘余應(yīng)力的分析提供更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。4.3實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比分析為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法在研究激光沉積殘余應(yīng)力方面的準(zhǔn)確性和可靠性，本研究將實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。通過(guò)精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，在數(shù)值模擬過(guò)程中，采用合理的模型假設(shè)、精確的材料參數(shù)和恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，以提高模擬結(jié)果的精度。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，選擇了具有代表性的材料和工藝參數(shù)，利用X射線衍射法對(duì)激光沉積試樣的殘余應(yīng)力進(jìn)行了精確測(cè)量。在對(duì)鈦合金進(jìn)行激光沉積實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置激光功率為250W，掃描速度為8mm/s，粉末層厚度為0.4mm，通過(guò)X射線衍射儀測(cè)量試樣不同位置的殘余應(yīng)力。在數(shù)值模擬方面，使用ANSYS軟件建立了三維熱-結(jié)構(gòu)耦合模型，考慮了激光能量輸入、材料熱物理性能隨溫度的變化、相變潛熱以及對(duì)流換熱等因素，對(duì)相同工藝參數(shù)下的激光沉積過(guò)程進(jìn)行了模擬。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的殘余應(yīng)力分布與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在總體趨勢(shì)上具有較好的一致性。在試樣的表面和內(nèi)部，殘余應(yīng)力的分布規(guī)律基本相同，都呈現(xiàn)出一定的梯度變化。在試樣的表面，殘余應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，且隨著距離表面深度的增加，殘余應(yīng)力逐漸減小。在試樣的中心區(qū)域，殘余應(yīng)力相對(duì)較小，且分布較為均勻。在距離試樣表面0-2mm的范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的殘余拉應(yīng)力從150MPa左右逐漸減小到100MPa左右，而數(shù)值模擬結(jié)果在該區(qū)域的殘余拉應(yīng)力從145MPa左右逐漸減小到95MPa左右，兩者的變化趨勢(shì)基本一致。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果之間也存在一些差異。在某些局部區(qū)域，殘余應(yīng)力的大小和分布存在一定的偏差。在試樣的邊緣部分，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的殘余應(yīng)力略高于數(shù)值模擬結(jié)果，這可能是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在一些難以精確控制的因素，如粉末的分布不均勻、激光束的能量波動(dòng)等，這些因素會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的殘余應(yīng)力分布與模擬結(jié)果產(chǎn)生偏差。數(shù)值模擬過(guò)程中采用的模型假設(shè)和簡(jiǎn)化處理也可能會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。在建立模型時(shí)，可能無(wú)法完全考慮到材料的微觀結(jié)構(gòu)變化、界面效應(yīng)等復(fù)雜因素，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的誤差。為了進(jìn)一步分析差異產(chǎn)生的原因，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)值模擬模型進(jìn)行了詳細(xì)的檢查和分析。在實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)粉末的粒度分布、流動(dòng)性以及送粉系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)粉末的粒度分布存在一定的不均勻性，這可能會(huì)導(dǎo)致激光沉積過(guò)程中材料的熔化和凝固不均勻，從而影響殘余應(yīng)力的分布。在數(shù)值模擬方面，對(duì)模型的網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)的準(zhǔn)確性以及邊界條件的設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化和驗(yàn)證。通過(guò)加密網(wǎng)格，提高了模型的計(jì)算精度；對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行了更精確的測(cè)量和校準(zhǔn)，確保其與實(shí)際材料性能相符；對(duì)邊界條件進(jìn)行了更合理的設(shè)置，使其更符合實(shí)際的激光沉積過(guò)程。通過(guò)這些改進(jìn)措施，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果之間的差異得到了一定程度的減小，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法在研究激光沉積殘余應(yīng)力方面的有效性和可靠性。五、激光沉積殘余應(yīng)力的控制策略5.1工藝參數(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)的優(yōu)化是控制激光沉積殘余應(yīng)力的重要手段之一。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析，深入探究了不同工藝參數(shù)組合對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，從而提出了一系列優(yōu)化的工藝參數(shù)方案。在實(shí)驗(yàn)研究中，選取了激光功率、掃描速度、粉末流量等關(guān)鍵工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)了多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以某鈦合金的激光沉積實(shí)驗(yàn)為例，在固定粉末流量為5g/min的情況下，分別設(shè)置激光功率為200W、250W、300W，掃描速度為5mm/s、8mm/s、10mm/s，共進(jìn)行了9組實(shí)驗(yàn)。通過(guò)X射線衍射法測(cè)量每組實(shí)驗(yàn)沉積試樣的殘余應(yīng)力，并利用金相顯微鏡觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為250W，掃描速度為8mm/s時(shí)，殘余應(yīng)力相對(duì)較小，且微觀組織結(jié)構(gòu)較為均勻。在該工藝參數(shù)組合下，沉積層的平均殘余應(yīng)力為80MPa，而在激光功率為300W、掃描速度為5mm/s的組合下，殘余應(yīng)力高達(dá)150MPa。數(shù)值模擬方面，運(yùn)用ANSYS軟件建立了三維熱-結(jié)構(gòu)耦合模型。在模型中，考慮了激光能量輸入、材料熱物理性能隨溫度的變化、相變潛熱以及對(duì)流換熱等因素。通過(guò)改變模型中的工藝參數(shù)，模擬不同工況下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。模擬結(jié)果顯示，隨著激光功率的增加，熔池溫度升高，溫度梯度增大，殘余應(yīng)力顯著增大；而掃描速度的加快，能夠減少熱輸入，降低溫度梯度，從而減小殘余應(yīng)力?；趯?shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，提出了以下優(yōu)化的工藝參數(shù)方案：在保證沉積層質(zhì)量和致密度的前提下，適當(dāng)降低激光功率，提高掃描速度。對(duì)于一般的金屬材料激光沉積，激光功率可控制在200-250W之間，掃描速度可控制在8-12mm/s之間。合理調(diào)整粉末流量，使其與激光功率和掃描速度相匹配，以確保粉末能夠充分熔化，同時(shí)避免過(guò)多的粉末堆積導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大。粉末流量可根據(jù)材料特性和沉積層厚度進(jìn)行調(diào)整，一般在4-6g/min之間。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮不同材料的特性對(duì)工藝參數(shù)的要求。對(duì)于熱膨脹系數(shù)較大的材料，如鋁合金，應(yīng)適當(dāng)降低激光功率和掃描速度，以減小熱應(yīng)力的產(chǎn)生。對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料，如陶瓷材料，可適當(dāng)提高激光功率，以保證材料能夠充分熔化，但同時(shí)要注意控制溫度梯度，避免殘余應(yīng)力過(guò)大。5.2掃描策略調(diào)整掃描策略在激光沉積過(guò)程中對(duì)殘余應(yīng)力的分布和大小有著重要影響。常用的掃描策略包括單向線掃描、往復(fù)線掃描、螺旋線掃描、分區(qū)掃描和層間旋轉(zhuǎn)掃描策略等。單向線掃描是一種較為簡(jiǎn)單的掃描方式，激光束沿著一個(gè)方向進(jìn)行掃描，這種掃描策略適用于一些簡(jiǎn)單形狀的零件沉積。在對(duì)平板狀零件進(jìn)行激光沉積時(shí)，采用單向線掃描可以快速地完成沉積過(guò)程。由于其掃描方向單一，在沉積過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的溫度梯度，導(dǎo)致殘余應(yīng)力分布不均勻，尤其是在掃描方向的兩端，殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。往復(fù)線掃描則是激光束在掃描過(guò)程中來(lái)回移動(dòng)，這種掃描策略可以在一定程度上減小溫度梯度，使沉積層的溫度分布更加均勻。在對(duì)一些大面積的平面進(jìn)行沉積時(shí)，往復(fù)線掃描能夠減少因單向掃描導(dǎo)致的溫度差異，從而降低殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。由于掃描過(guò)程中激光束的頻繁換向，可能會(huì)導(dǎo)致能量分布不均勻，在換向處容易出現(xiàn)殘余應(yīng)力集中的問(wèn)題。螺旋線掃描是激光束按照螺旋線的軌跡進(jìn)行掃描，這種掃描策略能夠使能量更加均勻地分布在沉積區(qū)域，減少溫度梯度，從而降低殘余應(yīng)力。在沉積一些圓形或環(huán)形零件時(shí)，螺旋線掃描可以使零件的各個(gè)部位受熱均勻，有效降低殘余應(yīng)力。螺旋線掃描的路徑規(guī)劃相對(duì)復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制要求較高，在實(shí)際應(yīng)用中需要精確調(diào)整參數(shù)以確保掃描的準(zhǔn)確性。分區(qū)掃描是將沉積區(qū)域劃分為多個(gè)子區(qū)域，然后依次對(duì)每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行掃描。這種掃描策略可以有效地控制溫度梯度，降低殘余應(yīng)力。在沉積大型復(fù)雜零件時(shí)，通過(guò)分區(qū)掃描可以將大的溫度梯度分散到各個(gè)子區(qū)域，減少整體的殘余應(yīng)力。分區(qū)掃描需要合理劃分區(qū)域，否則可能會(huì)在區(qū)域交界處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，影響零件的質(zhì)量。層間旋轉(zhuǎn)掃描策略是在每一層沉積完成后，將掃描方向旋轉(zhuǎn)一定角度，然后進(jìn)行下一層的沉積。這種掃描策略可以改變殘余應(yīng)力的分布方向，避免應(yīng)力在同一方向上的累積，從而降低殘余應(yīng)力的大小。在對(duì)多層沉積的零件進(jìn)行處理時(shí)，層間旋轉(zhuǎn)掃描能夠使各層之間的應(yīng)力相互抵消一部分，提高零件的整體性能。層間旋轉(zhuǎn)掃描需要精確控制旋轉(zhuǎn)角度和掃描路徑，以確保各層之間的結(jié)合質(zhì)量和殘余應(yīng)力的有效控制。為了優(yōu)化掃描策略，以降低殘余應(yīng)力，可以采用以下方法：根據(jù)零件的幾何形狀和尺寸，選擇合適的掃描策略。對(duì)于簡(jiǎn)單形狀的零件，可以選擇單向線掃描或往復(fù)線掃描；對(duì)于復(fù)雜形狀的零件，則應(yīng)考慮采用分區(qū)掃描或螺旋線掃描等策略。在沉積過(guò)程中，合理調(diào)整掃描方向和掃描速度，使能量分布更加均勻，減少溫度梯度。通過(guò)數(shù)值模擬等方法，對(duì)不同掃描策略下的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，根據(jù)分析結(jié)果選擇最優(yōu)的掃描策略。利用有限元軟件模擬不同掃描策略下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，對(duì)比不同策略下的殘余應(yīng)力大小和分布情況，從而確定最佳的掃描策略。5.3預(yù)熱與后熱處理預(yù)熱和后熱處理是控制激光沉積殘余應(yīng)力的重要手段，它們通過(guò)改變材料在沉積過(guò)程中的溫度狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)，有效地降低了殘余應(yīng)力，提高了零件的質(zhì)量和性能。預(yù)熱是在激光沉積之前對(duì)基底或零件進(jìn)行加熱，使其達(dá)到一定的溫度。預(yù)熱的作用原理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。預(yù)熱可以減小激光沉積過(guò)程中的溫度梯度。在激光沉積過(guò)程中，由于激光能量的高度集中，會(huì)導(dǎo)致沉積區(qū)域與周?chē)牧现g產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而引發(fā)熱應(yīng)力。通過(guò)預(yù)熱，使基底或零件整體溫度升高，當(dāng)激光束作用于沉積區(qū)域時(shí)，沉積區(qū)域與周?chē)牧系臏夭顪p小，溫度梯度也隨之降低，從而減少了熱應(yīng)力的產(chǎn)生。在對(duì)某鋁合金進(jìn)行激光沉積時(shí)，將基底預(yù)熱至200℃，與未預(yù)熱的情況相比，沉積過(guò)程中的溫度梯度降低了約30%，熱應(yīng)力也相應(yīng)減小。預(yù)熱還可以促進(jìn)材料的塑性變形，使材料在沉積過(guò)程中能夠更好地適應(yīng)熱脹冷縮的變化，從而減少應(yīng)力的積累。在高溫下，材料的塑性增加，更容易發(fā)生變形，這有助于緩解由于溫度變化引起的應(yīng)力。研究不同預(yù)熱溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)熱溫度的升高，殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)熱溫度從50℃升高到150℃時(shí)，殘余應(yīng)力降低了約40%。過(guò)高的預(yù)熱溫度也可能帶來(lái)一些負(fù)面影響，如導(dǎo)致材料的氧化、晶粒長(zhǎng)大等，從而影響零件的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)材料的特性和零件的要求，選擇合適的預(yù)熱溫度。對(duì)于一些對(duì)氧化敏感的材料，如鈦合金，預(yù)熱溫度不宜過(guò)高，一般控制在100-150℃之間；對(duì)于一些對(duì)晶粒尺寸要求不嚴(yán)格的材料，如普通碳鋼，可以適當(dāng)提高預(yù)熱溫度，以進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力。后熱處理是在激光沉積完成后，對(duì)零件進(jìn)行加熱處理。后熱處理的作用原理主要是通過(guò)高溫退火，使材料內(nèi)部的原子獲得足夠的能量，從而發(fā)生擴(kuò)散和重新排列，釋放殘余應(yīng)力。在高溫下，材料內(nèi)部的位錯(cuò)可以通過(guò)攀移和交滑移等方式重新分布，消除應(yīng)力集中區(qū)域，使殘余應(yīng)力得到釋放和重新分布。后熱處理還可以改善材料的組織結(jié)構(gòu)，提高材料的性能。通過(guò)適當(dāng)?shù)暮鬅崽幚?，可以使晶粒?xì)化，消除內(nèi)部缺陷，提高材料的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性。研究不同后熱處理工藝對(duì)殘余應(yīng)力的影響發(fā)現(xiàn)，后熱處理的溫度、時(shí)間和冷卻速度等參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的降低效果有著顯著的影響。在對(duì)某不銹鋼激光沉積零件進(jìn)行后熱處理時(shí)，當(dāng)后熱處理溫度為600℃，保溫時(shí)間為2小時(shí)，采用隨爐冷卻的方式時(shí)，殘余應(yīng)力降低了約60%。如果后熱處理溫度過(guò)低或保溫時(shí)間過(guò)短，殘余應(yīng)力的降低效果不明顯；而如果后熱處理溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致材料的性能下降，如晶粒粗大、強(qiáng)度降低等。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)材料的特性和零件的要求，優(yōu)化后熱處理工藝參數(shù)。對(duì)于一些高強(qiáng)度合金鋼，后熱處理溫度一般控制在700-800℃之間，保溫時(shí)間為1-3小時(shí)，采用適當(dāng)?shù)睦鋮s速度，以保證材料的性能和殘余應(yīng)力的降低效果。5.4輔助技術(shù)應(yīng)用5.4.1激光沖擊噴丸激光沖擊噴丸（LaserShockPeening，LSP）是一種先進(jìn)的表面強(qiáng)化技術(shù)，其原理基于高能量密度的脈沖激光與材料的相互作用。在激光沖擊噴丸過(guò)程中，首先在材料表面覆蓋一層透明的約束層，如玻璃或水，再在約束層與材料表面之間涂覆一層吸收層，如黑漆或鋁箔。當(dāng)高能量密度的脈沖激光透過(guò)約束層照射到吸收層時(shí)，吸收層迅速吸收激光能量，瞬間蒸發(fā)并電離形成高溫、高壓的等離子體。等離子體在極短時(shí)間內(nèi)急劇膨脹，受到約束層的限制，從而產(chǎn)生高強(qiáng)度的沖擊波。沖擊波以極高的速度傳入材料內(nèi)部，使材料表面層發(fā)生塑性變形。這種塑性變形會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部位錯(cuò)密度增加，形成高密度的位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀結(jié)構(gòu)，從而引入殘余壓應(yīng)力。激光沖擊噴丸對(duì)殘余應(yīng)力的改善效果顯著。通過(guò)在材料表面引入殘余壓應(yīng)力，能夠有效抵消激光沉積過(guò)程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，降低殘余應(yīng)力的峰值。在對(duì)某鋁合金激光沉積零件進(jìn)行激光沖擊噴丸處理后，通過(guò)X射線衍射法測(cè)量發(fā)現(xiàn)，零件表面的殘余拉應(yīng)力從200MPa降低至50MPa以下，殘余壓應(yīng)力深度達(dá)到0.5mm以上。殘余壓應(yīng)力的存在可以阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高材料的疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能。在對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行激光沖擊噴丸處理后，疲勞壽命提高了3倍以上，有效增強(qiáng)了葉片在復(fù)雜工況下的可靠性和耐久性。激光沖擊噴丸的工藝參數(shù)，如激光能量、脈沖寬度、光斑直徑、沖擊次數(shù)等，對(duì)殘余應(yīng)力的改善效果有著重要影響。較高的激光能量可以產(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊波，從而引入更深的殘余壓應(yīng)力層和更高的殘余壓應(yīng)力幅值。當(dāng)激光能量從1J增加到3J時(shí)，殘余壓應(yīng)力深度從0.3mm增加到0.6mm，殘余壓應(yīng)力幅值也顯著提高。脈沖寬度和光斑直徑的變化會(huì)影響沖擊波的作用時(shí)間和作用面積，進(jìn)而影響殘余應(yīng)力的分布和大小。合適的沖擊次數(shù)能夠確保殘余應(yīng)力得到充分的調(diào)整和優(yōu)化。一般來(lái)說(shuō)，隨著沖擊次數(shù)的增加，殘余壓應(yīng)力逐漸增大，但當(dāng)沖擊次數(shù)達(dá)到一定值后，殘余壓應(yīng)力的增加趨勢(shì)會(huì)逐漸減緩。在對(duì)某鈦合金進(jìn)行激光沖擊噴丸處理時(shí)，當(dāng)沖擊次數(shù)從3次增加到5次時(shí)，殘余壓應(yīng)力幅值增加了20%；當(dāng)沖擊次數(shù)從5次增加到7次時(shí)，殘余壓應(yīng)力幅值僅增加了5%。5.4.2超聲振動(dòng)輔助超聲振動(dòng)輔助是一種在激光沉積過(guò)程中引入超聲能量，以改善沉積層質(zhì)量和降低殘余應(yīng)力的技術(shù)。其作用機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面：超聲振動(dòng)產(chǎn)生的高頻機(jī)械振動(dòng)能夠使熔池中的液態(tài)金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用。在激光沉積過(guò)程中，熔池中的液態(tài)金屬通常存在溫度梯度和成分不均勻的問(wèn)題，這會(huì)導(dǎo)致凝固過(guò)程中產(chǎn)生較大的應(yīng)力。超聲振動(dòng)的攪拌作用可以使熔池中的溫度和成分更加均勻，減少溫度梯度和成分偏析，從而降低殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。在對(duì)某鎳基合金進(jìn)行激光沉積時(shí)，引入超聲振動(dòng)后，熔池中的溫度梯度降低了約30%，成分偏析現(xiàn)象也得到了明顯改善，殘余應(yīng)力相應(yīng)降低。超聲振動(dòng)還可以促進(jìn)形核和細(xì)化晶粒。在凝固過(guò)程中，超聲振動(dòng)產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機(jī)械振動(dòng)能夠增加形核核心的數(shù)量，抑制晶粒的長(zhǎng)大，使沉積層的晶粒得到細(xì)化。細(xì)晶粒組織具有更高的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)也有利于降低殘余應(yīng)力。因?yàn)榧?xì)晶粒組織中晶界面積增加，晶界可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使應(yīng)力分布更加均勻，從而降低殘余應(yīng)力的集中程度。在對(duì)某鋁合金進(jìn)行激光沉積時(shí)，引入超聲振動(dòng)后，沉積層的晶粒尺寸從原來(lái)的50μm細(xì)化到20μm以下，殘余應(yīng)力降低了約40%。超聲振動(dòng)的參數(shù)，如頻率、振幅和作用時(shí)間等，對(duì)殘余應(yīng)力的影響也較為顯著。較高的頻率和振幅能夠增強(qiáng)超聲振動(dòng)的攪拌和細(xì)化晶粒作用，但過(guò)高的頻率和振幅可能會(huì)導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定，產(chǎn)生氣孔等缺陷。在一定范圍內(nèi)，隨著超聲振動(dòng)頻率的增加，殘余應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)頻率從20kHz增加到40kHz時(shí)，殘余應(yīng)力降低了約20%。然而，當(dāng)頻率繼續(xù)增加到60kHz時(shí)，由于熔池的過(guò)度攪拌，出現(xiàn)了氣孔等缺陷，殘余應(yīng)力反而有所增加。作用時(shí)間也需要合理控制，作用時(shí)間過(guò)短，超聲振動(dòng)的效果不明顯；作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則可能會(huì)對(duì)沉積層的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。在對(duì)某不銹鋼進(jìn)行激光沉積時(shí)，超聲振動(dòng)作用時(shí)間為10s時(shí)，殘余應(yīng)力降低效果最佳；當(dāng)作用時(shí)間延長(zhǎng)到20s時(shí)，沉積層的表面質(zhì)量下降，殘余應(yīng)力也有所回升。六、案例分析6.1航空航天領(lǐng)域典型零件激光沉積殘余應(yīng)力控制以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，對(duì)其激光沉積過(guò)程中的殘余應(yīng)力問(wèn)題進(jìn)行深入分析。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和可靠性。葉片通常在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境下工作，因此對(duì)其材料性能和制造精度要求極高。激光沉積技術(shù)因其能夠制造復(fù)雜形狀的零件，且具有材料利用率高、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造中得到了廣泛應(yīng)用。在激光沉積航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的過(guò)程中，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。由于激光能量高度集中，在極短時(shí)間內(nèi)使材料熔化和凝固，導(dǎo)致葉片內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，進(jìn)而形成殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力的存在會(huì)對(duì)葉片的性能產(chǎn)生諸多不利影響。殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致葉片在使用過(guò)程中發(fā)生疲勞裂紋擴(kuò)展，縮短葉片的使用壽命。在發(fā)動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉片承受著交變載荷，殘余應(yīng)力與交變載荷疊加，會(huì)加速裂紋的萌生和擴(kuò)展，嚴(yán)重影響葉片的可靠性。殘余應(yīng)力還可能導(dǎo)致葉片的變形，影響其空氣動(dòng)力學(xué)性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。葉片的變形會(huì)改變其流道形狀，導(dǎo)致氣流流動(dòng)不暢，增加能量損失，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和燃油經(jīng)濟(jì)性。為了有效控制殘余應(yīng)力，采用了多種控制策略。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，對(duì)激光功率、掃描速度、粉末流量等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)降低激光功率，提高掃描速度，可以減小溫度梯度，從而降低殘余應(yīng)力。在對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行激光沉積時(shí)，將激光功率從300W降低到250W，掃描速度從5mm/s提高到8mm/s，殘余應(yīng)力降低了約30%。合理調(diào)整粉末流量，使其與激光功率和掃描速度相匹配，也有助于減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)葉片的材料特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將粉末流量控制在5-6g/min之間，取得了較好的效果。在掃描策略調(diào)整方面，采用了分區(qū)掃描和層間旋轉(zhuǎn)掃描相結(jié)合的策略。分區(qū)掃描將葉片的沉積區(qū)域劃分為多個(gè)子區(qū)域，依次對(duì)每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行掃描，這樣可以有效地控制溫度梯度，降低殘余應(yīng)力。層間旋轉(zhuǎn)掃描則在每一層沉積完成后，將掃描方向旋轉(zhuǎn)一定角度，然后進(jìn)行下一層的沉積，這種策略可以改變殘余應(yīng)力的分布方向，避免應(yīng)力在同一方向上的累積。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)采用這種掃描策略后，葉片的殘余應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了明顯改善。預(yù)熱和后熱處理也是控制殘余應(yīng)力的重要手段。在激光沉積前，對(duì)葉片基底進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在150-200℃之間，這樣可以減小激光沉積過(guò)程中的溫度梯度，降低熱應(yīng)力的產(chǎn)生。在激光沉積完成后，對(duì)葉片進(jìn)行后熱處理，后熱處理溫度為650-700℃，保溫時(shí)間為2-3小時(shí)，采用隨爐冷卻的方式。通過(guò)后熱處理，葉片內(nèi)部的殘余應(yīng)力得到了有效釋放，材料的組織結(jié)構(gòu)也得到了改善，提高了葉片的強(qiáng)度和韌性。還引入了超聲振動(dòng)輔助技術(shù)。在激光沉積過(guò)程中，超聲振動(dòng)產(chǎn)生的高頻機(jī)械振動(dòng)使熔池中的液態(tài)金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，使熔池中的溫度和成分更加均勻，減少了溫度梯度和成分偏析，從而降低了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。超聲振動(dòng)還促進(jìn)了形核和細(xì)化晶粒，使沉積層的晶粒得到細(xì)化，提高了材料的強(qiáng)度和韌性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)引入超聲振動(dòng)輔助技術(shù)后，葉片的殘余應(yīng)力降低了約40%，同時(shí)晶粒尺寸也明顯減小，從原來(lái)的50μm細(xì)化到20μm以下。通過(guò)采用上述綜合控制策略，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的殘余應(yīng)力得到了有效控制，葉片的質(zhì)量和性能得到了顯著提高。經(jīng)過(guò)實(shí)際裝機(jī)測(cè)試，采用控制殘余應(yīng)力后的激光沉積葉片，其疲勞壽命提高了2倍以上，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率也提高了10%左右，為航空航天領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。6.2汽車(chē)制造領(lǐng)域關(guān)鍵部件激光沉積殘余應(yīng)力研究在汽車(chē)制造領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和輪轂是關(guān)鍵部件，其質(zhì)量和性能直接影響汽車(chē)的整體性能和安全性。激光沉積技術(shù)在這些部件的制造中具有重要應(yīng)用，然而，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生對(duì)部件的性能和可靠性構(gòu)成了潛在威脅。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，承受著高溫、高壓和交變載荷的作用。在激光沉積發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的過(guò)程中，由于激光能量的快速輸入和冷卻，會(huì)導(dǎo)致缸體內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在會(huì)降低缸體的疲勞壽命，使其在長(zhǎng)期使用過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋和損壞。殘余應(yīng)力還會(huì)影響缸體的尺寸精度和密封性，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的性能下降。在某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的激光沉積制造中，通過(guò)X射線衍射法測(cè)量發(fā)現(xiàn)，缸體表面的殘余拉應(yīng)力高達(dá)150MPa，這對(duì)缸體的可靠性和使用壽命產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)缸體激光沉積過(guò)程中的殘余應(yīng)力，采用了多種策略。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，確定了合適的激光功率、掃描速度和粉末流量。將激光功率控制在220-240W之間，掃描速度控制在9-11mm/s之間，粉末流量控制在5-5.5g/min之間，能夠有效降低殘余應(yīng)力。在掃描策略上，采用分區(qū)掃描和螺旋線掃描相結(jié)合的方式，使能量分布更加均勻，減少溫度梯度，從而降低殘余應(yīng)力。在預(yù)熱和后熱處理方面，對(duì)缸體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在120-150℃之間，減小了激光沉積過(guò)程中的溫度梯度，降低了熱應(yīng)力的產(chǎn)生。在激光沉積完成后，對(duì)缸體進(jìn)行后熱處理，后熱處理溫度為600-650℃，保溫時(shí)間為1.5-2.5小時(shí)，采用隨爐冷卻的方式，使缸體內(nèi)部的殘余應(yīng)力得到了有效釋放。輪轂作為汽車(chē)的重要承載部件，在行駛過(guò)程中承受著復(fù)雜的載荷。在激光沉積輪轂的過(guò)程中，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致輪轂的強(qiáng)度和疲勞性能下降，增加了行駛過(guò)程中的安全隱患。在某鋁合金輪轂的激光沉積制造中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，輪轂邊緣和輻條部位的殘余應(yīng)力較高，容易出現(xiàn)裂紋和變形。為了降低輪轂激光沉積過(guò)程中的殘余應(yīng)力，采取了一系列措施。在工藝參數(shù)方面，根據(jù)鋁合金的特性，優(yōu)化了激光功率、掃描速度和粉末層厚度。將激光功率控制在210-230W之間，掃描速度控制在10-12mm/s之間，粉末層厚度控制在0.35-0.45mm之間，有效降低了殘余應(yīng)力。在掃描策略上，采用層間旋轉(zhuǎn)掃描策略，改變了殘余應(yīng)力的分布方向，避免了應(yīng)力在同一方向上的累積。在輔助技術(shù)應(yīng)用方面，引入了激光沖擊噴丸技術(shù)，在輪轂表面引入殘余壓應(yīng)力，抵消了部分殘余拉應(yīng)力，提高了輪轂的疲勞性能。通過(guò)對(duì)輪轂進(jìn)行激光沖擊噴丸處理，表面的殘余拉應(yīng)力從180MPa降低至30MPa以下，疲勞壽命提高了2倍以上。通過(guò)對(duì)汽車(chē)制造領(lǐng)域發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和輪轂等關(guān)鍵部件激光沉積殘余應(yīng)力的研究，采取有效的控制策略，能夠顯著降低殘余應(yīng)力，提高部件的質(zhì)量和性能，為汽車(chē)制造領(lǐng)域的發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。6.3案例總結(jié)與啟示通過(guò)對(duì)航空航天領(lǐng)域發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和汽車(chē)制造領(lǐng)域發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、輪轂等典型零件激光沉積殘余應(yīng)力控制的案例研究，我們可以總結(jié)出以下寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為其他領(lǐng)域的激光沉積殘余應(yīng)力控制提供重要的參考和啟示。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，不同材料和零件結(jié)構(gòu)對(duì)工藝參數(shù)的要求存在差異，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行細(xì)致的研究和調(diào)整。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的激