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(yīng)快等特點。本文簡要分析了激光快速成形件殘余應(yīng)力的形成機理及分布規(guī)律，概述了殘余應(yīng)力對成形件力學(xué)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(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、市場響應(yīng)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(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(yīng)，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(yīng)力和變形。殘余應(yīng)力作為一種內(nèi)應(yīng)力，不僅對成形件的靜載強度、疲勞強度和抗應(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(yīng)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(yīng)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(yīng)力問題，為精確描述和控制激光快速成形過程中殘余應(yīng)力分布提供基礎(chǔ)。

殘余應(yīng)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(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(yīng)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(yīng)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(yīng)力。因此，激光快速成形過程產(chǎn)生殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)力; 

2.由于熔凝區(qū)存在溫度梯度且冷卻速率不一致，熔池材料在凝固時因相變體積變化不均及相變的不等時性產(chǎn)生的相變應(yīng)力，進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）。成形件最終的殘余應(yīng)力往往是上述兩種原因的綜合結(jié)果。激光快速成形過程是一個非常復(fù)雜的物理冶金過程，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。