东北大学&清华顶刊丨金属增材制造的残余应力与变形研究：形成机理、影响机制、预测方法及调控策略

激光粉末床熔融（LPBF）技术凭借高精度与优异静态力学性能，已在航空复杂轻量化构件实现工业化应用。但成形过程非稳态热效应会诱发不均匀拉残余应力、粗大柱状晶粒、熔合类内部缺陷，大幅恶化成形件疲劳性能，限制其主承力结构件应用。本文提出飞秒激光原位锻打增材制造（LIF-AM）新工艺：在 LPBF 逐层打印过程中同步引入飞秒激光冲击原位锻打，同步调控钛合金缺陷、微观组织与残余应力场。 结果表明：飞秒激光的表面净化效应将 Ti-6Al-4V 合金最大缺陷尺寸由传统 LPBF 的 65 μm 降至 27 μm；冲击波驱动 β 柱状晶完成等轴晶转变，并生成深度约 800 μm 的梯度压残余应力场，诱发动态再结晶；缺陷抑制、晶粒细化与压应力场协同作用有效阻碍裂纹萌生与扩展，LIF-AM 制备 Ti-6Al-4V 合金疲劳极限较传统 LPBF 提升 19.3%。该 LIF-AM 工艺为航空承力构件高性能一体化制造提供颠覆性全新技术方案。 https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104955 Graphical Abstract图文解读文章核心创新亮点首创一体化原位复合制造装备开发 LPBF 熔融 + 飞秒激光冲击锻打双光束同步协同系统，同一成形舱内实现熔化成形与原位强韧化同步完成，无需水约束层、无需中断打印、无需二次装夹，解决传统 3D 激光喷丸（3D-LSP）效率低、薄壁件尺寸精度差的缺陷，时序同步误差＜1 ms。 三重性能协同调控，同步解决行业四大短板传统工艺（热处理、热等静压、后置激光喷丸）仅能单一调控缺陷 / 组织 / 应力，LIF-AM 实现缺陷消除 + 晶粒细化 + 压残余应力预置三者耦合调控： ① 缺陷：200 μJ 最优激光能量下缺陷体积分数下降 73.8%，最大缺陷尺寸缩减 58.5%，表面粗糙度 Sa 由 7.8 μm 降至 5.4 μm； ② 组织：原生粗大 β 柱状晶完全转变为细等轴晶，马氏体片层同步细化，弱化晶体取向各向异性； ③ 应力：表层生成深度 800 μm 连续压应力层，最大压残余应力达 - 368 MPa，彻底消除 LPBF 成形件全域拉应力状态。 阐明飞秒激光多场耦合强韧机理飞秒激光无介质等离子冲击波诱发材料动态再结晶：位错滑移 - 重组 - 湮灭，亚晶界转化为大角度晶界；同时微量氧间隙原子固溶强化、细晶强化、压应力屏蔽效应三重机制叠加，大幅提升疲劳寿命。 大幅简化航空构件全流程制造周期虽然逐层沉积时间增加 15%~20%，但省去热等静压、喷丸、去应力退火全套后置处理，航空构件整体制造周期缩短 30%~40%；无后续加工装夹误差，适配薄壁、点阵、复杂曲面承力件。 疲劳性能实现显著跃升标准高周疲劳测试结果：传统 LPBF 疲劳极限 402 MPa，LIF-AM 试样疲劳极限 480 MPa，提升 19.3%；疲劳裂纹源由表面缺陷转移至表层下 30 μm 处，疲劳条纹间距降低 58.5%，裂纹扩展速率大幅下降，无大量次生裂纹。 图 1 (a) 双激光光束扫描光路与扫描路径示意图 (b) 疲劳拉伸试样几何尺寸图 图 2 (a) 残余应力沿深度分布曲线(b) 显微硬度沿深度分布曲线 图 3 LPBF 和 LIF-AM Ti-6Al-4V 钛合金表面形貌：(a–c) 传统 LPBF 钛合金；(d)-(f) 200 μJ 能量 LIF-AM 钛合金；(g)-(i) 300 μJ 能量 LIF-AM 钛合金 图 4 原位 X 射线 CT 缺陷定量表征：(a-c) 三种工艺主要缺陷三维重建模型；(d-f) 缺陷等效直径与球形度分布散点图；(g-i) 缺陷等效直径分布直方图与累积频率曲线；(j-l) 代表性缺陷放大三维形貌 图 5 Ti-6Al-4V 钛合金三维金相组织：(a-c) 传统 LPBF 钛合金；(d-f) LIF-AM 钛合金；XOY 为打印层平面，XOZ 为沉积高度方向（BD 为成形方向） 图 6 LPBF 与 LIF-AM 钛合金 EBSD 表征图：(a) LPBF 原始 β 晶粒三维反极图；(b) LPBF XOY 面 α' 相反极图；(c) LPBF XOZ 面 α' 相反极图；(d) LIF-AM 原始 β 晶粒三维反极图；(e) LIF-AM XOY 面 α' 相反极图；(f) LIF-AM XOZ 面 α' 相反极图 图 7 LPBF 与 LIF-AM 钛合金原始 β 晶粒、α' 马氏体极图与反极图：(a) LPBF XOY 面原始 β 相；(b) LPBF XOZ 面原始 β 相；(c) LPBF XOY 面 α' 相；(d) LPBF XOZ 面 α' 相；(e) LIF-AM XOY 面原始 β 相；(f) LIF-AM XOZ 面原始 β 相；(g) LIF-AM XOY 面 α' 相；(h) LIF-AM XOZ 面 α' 相 图 8 LPBF 与 LIF-AM 钛合金透射电镜 (TEM) 图：(a)-(c) LPBF 钛合金明场像与选区电子衍射 (SAED) 花样；(d)-(g) LIF-AM 钛合金明场像与选区电子衍射花样 图 9 激光粉末床熔融（LPBF）与原位激光锻打增材制造（LIF-AM）Ti-6Al-4V 钛合金的疲劳加载曲线：(a) 激光粉末床熔融 Ti-6Al-4V 试样；(b) 原位激光锻打增材制造 Ti-6Al-4V 试样。 结论/展望本文提出将飞秒激光冲击与 LPBF 实时集成的新型 LIF-AM 增材制造工艺，用于提升增材制造 Ti-6Al-4V 钛合金抗疲劳性能，主要结论如下：LIF-AM 工艺可在钛合金表层形成深度约 800 μm 的连续梯度压残余应力场，最大表层压残余应力可达 - 240 MPa，彻底消除传统 LPBF 构件全域拉应力问题。飞秒激光超快熔化与高频振动协同作用可大幅抑制内部缺陷：未熔粉末颗粒基本清除，合金内部最大缺陷等效直径由 LPBF 的 65 μm 降至 27 μm，200 μJ 能量参数下缺陷体积分数降低 73.8%，为最优工艺窗口。LIF-AM 成形过程中，飞秒激光冲击波诱发位错滑移与动态再结晶，实现 β 相粗大柱状晶向等轴细晶转变，同步细化 α' 马氏体片层，显著弱化材料力学各向异性。对比传统 LPBF 工艺，LIF-AM 制备 Ti-6Al-4V 合金疲劳极限提升 19.3%；强化机制源于缺陷抑制、微观组织细化（位错重组 - 动态再结晶 - 晶粒细化）、压残余应力场屏蔽效应三者协同，共同抑制疲劳裂纹萌生与扩展。LIF-AM 依靠 “缺陷抑制 - 组织演化 - 应力重构” 多物理场耦合机制，实现钛合金成形与性能一体化调控；省去热等静压、喷丸等全套后置强化工序，航空零部件整体制造周期缩短 30%~40%。该工艺无需形核剂，同样适用于高强铝合金、高温合金等热敏金属增材制造，在薄壁构件、点阵结构、医用植入体高性能制造领域具备广阔应用前景。来源：增材制造硕博联盟