摘要：汕头大学的科研人员报道了金属增材制造中的残余应力综述：检测技术、数值模拟和缓解策略研究。相关论文以“A comprehensive review of residual stress in metal additive manufacturing: detec
长三角G60激光联盟导读
汕头大学的科研人员报道了金属增材制造中的残余应力综述：检测技术、数值模拟和缓解策略研究。相关论文以“A comprehensive review of residual stress in metal additive manufacturing: detection techniques, numerical simulation, and mitigation strategies”为题发表在《Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering》上。
作为一种新兴的制造工艺，金属增材制造（AM）技术彻底改变了传统的设计实践，实现了材料工程领域的创新，包括生产具有复杂结构的金属零件、提高设计自由度和显著降低生产成本。然而，循环加热和冷却过程会在材料内部产生残余应力，从而可能导致材料变形，影响零件成型的尺寸精度和机械性能。因此，全面了解金属AM的基本机理可以为获得高性能产品提供见解。在本综述中，科研人员首先简要介绍几种常见的金属AM技术，并阐明导致残余应力（RS）产生的机理。随后，概述了用于监测RS的常用和在线检测方法的最新进展。此外，还介绍了用于RS预测的热力学耦合建模方法，以及几种旨在提高模拟计算效率的策略。这些细节可以帮助学者确定合适的技术。本文还概述了一些管理残余应力的方法，特别强调了金属AM工艺中的能量场辅助方法在减少RS和改善机械性能方面的有效性。最后，本文对前景进行了总结，为未来的研究工作提供了具体的方向。
图1金属AM零件RS导致的失效模式：a-b裂纹、c-e变形、f-g分层。
图2金属AM工艺分类。
图3热应力的温度梯度机制示意图。
图4a典型的RS测量实验，b RS测量技术的空间分辨率和穿透性。
图5热力分析流程图。
图6多尺度增材部件建模方法。
图7a MISM的分析工作流程，b MISM和实验测量在Ti6Al4V标准件上沿两条线的变形比较。
图8a带有辅助熔融金属流的L-PBF示意图，b显示静态熔融金属流对熔池流动模式影响的示意图。磁场（MF）对AM中晶粒和微观结构形态演变的影响：c无MF时的柱状生长，d作用于柱状晶粒的MF，e MF作用下的柱状到等轴转变，f MF作用下的微观结构结果。不同MF强度下 L-PBF制成的AlSi10Mg合金的EBSD分析：g 0T和h 0.2T；i WAAM Inconel 625合金沉积的微观结构：无MF和有MF；j MF在L-DED制成的Ti6Al4V合金中细化晶粒。
图9变形辅助AM示意图：a轧制、b SP、c LSP、d MHP。
图10扫描模式对RS和变形的影响：a扫描策略示意图，b温度，c冯米塞斯应力，d残余应力，e变形。
这篇综述文章概述了金属AM中的RS。由于局部热输入和快速凝固，RS不可避免地会在金属 AM过程中产生。因此了解RS的形成机理至关重要。温度梯度机制、冷却相模式机制和相变过程中的结构变化清楚地解释了RS在宏观和微观尺度上的部分起源。正如所讨论的，随后分析了RS的检测方法，每种方法都有优缺点、不同的空间分辨率以及与零件尺寸相关的能力。测量残余应力的实验方法是可取的，但昂贵且耗时。因此，可靠的变形和RS预测模型对改进金属AM技术的工艺优化非常有用。金属AM中的RS可通过过程中的方法（如预热、能量场辅助和参数优化方法）进行控制。一些观点可归纳为以下几点：
1.在AM工艺中，一旦出现RS，工艺后测量往往为时已晚，无法挽救产品。大多数现有技术依赖于预测模拟和后处理分析，但这些方法无法准确反映制造过程中的应力演变。RS的在线检测可以探索应力的产生和演变，并通过特殊的检测设备跟踪和监测原位应变，包括应变和位移传感器、视觉监测技术以及本文提到的热力学监测。这些技术的总结不仅为残余应力的实时监测提供了技术参考，也为残余应力监测技术的发展指明了方向。未来的研究需要根据在线检测结果进行快速自动决策，精确控制诱发高RS的多个工艺参数。同时，采用多传感器技术将是实现AM过程控制、提高监测精度、实现闭环控制的重要途径。
2.在预测和模拟领域，宏观RS的数值建模主要采用有限元模型来建立热力学模型。目前，主流的RS数值模型主要侧重于提高复杂环境下的预测精度，同时最大限度地降低计算时间成本。然而，现有的RS预测模型在计算精度和效率方面仍然存在局限性。确保高计算精度仍然是最重要的；然而，解决模型求解的效率问题是一个挑战，需要在未来的研究中进一步探索。多尺度数值模型在这方面具有巨大潜力。未来，将预测能力与过程监控、计算机辅助模拟和过程优化相结合，将有助于对 RS 进行更有效的预测。
3.在AM过程中，过多的RS会对材料的疲劳强度产生不利影响，从而严重影响零件的稳定性和性能。因此，必须调查与RS相关的潜在风险，并确定有效的缓解策略，以确保制造过程中的RS得到控制。虽然优化工艺参数是从源头控制应力的一种方法，但频繁的实验往往会造成资源浪费。AM中的能量场辅助方法为有效控制RS提供了机会。不同类型的场对熔池内的金属凝固过程产生不同的作用机制；然而，目前的大多数研究主要集中在单一场上。未来的研究应探索金属增材制造技术中各种成型材料的多场同步辅助的相互作用规律，从而拓宽金属增材制造技术在不同领域的应用前景。
论文链接：
Zhang, Y., Yu, W., Zheng, Z. et al. A comprehensive review of residual stress in metal additive manufacturing: detection techniques, numerical simulation, and mitigation strategies. J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 47, 17 (2025). https://doi.org/10.1007/s40430-024-05319-6
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长三角G60激光联盟陈长军转载
来源：江苏激光联盟