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在增材制造過程中，金屬材料經(jīng)歷循環(huán)往復(fù)的驟熱驟冷過程，會產(chǎn)生較大的溫度梯度并產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，最終導(dǎo)致工件變形甚至開裂。

在激光作用下，金屬材料熔化形成熔池，熔池在凝固過程中發(fā)生收縮，并且在隨后的冷卻過程中發(fā)生進一步收縮；由于溫度分布不均勻，并且成形件形狀復(fù)雜，成形件不同區(qū)域的收縮不均勻。

同時，增材制造是一個逐層加工過程，在后一道激光掃描過程中，鄰近熔池的先凝固材料（沉積層）再次經(jīng)歷復(fù)雜的熱循環(huán)，繼續(xù)發(fā)生膨脹和收縮，導(dǎo)致殘余應(yīng)力的增加。當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料的屈服強度時成形件發(fā)生變形，嚴(yán)重時甚至發(fā)生開裂，從而降低成形件的尺寸精度和完整性。在SLM增材制造過程中，如果沉積層向上翹曲的變形量太大，碰撞到鋪粉或送粉裝置，則會導(dǎo)致增材制造進程停止，甚至損壞鋪粉或送粉裝置。

增材制造零部件變形的測定主要包括成形結(jié)束后對成形件輪廓的測量和成形過程中的原位測量。成形件輪廓測量主要包括三坐標(biāo)測量(CMM)、3D激光掃描測量和計算機斷層掃描測量(CT)3種方法。

3D激光掃描測量技術(shù)和CT技術(shù)通過掃描成形件構(gòu)建出成形件的幾何模型，并與設(shè)計的制造模型進行對比來分析成形件的變形情況；CMM技術(shù)通過三維探針對成形件上選定的點進行測量，其系統(tǒng)軟件會自動計算出選定點的變形量。原位測量技術(shù)主要包括激光位移傳感器(LDS)和數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)。激光增材制造過程中零部件的變形是一個動態(tài)累積過程，原位測量可以對每加工一層后工件的變形進行實時監(jiān)測，可以更好地研究層間效應(yīng)對變形的影響。因此，通過原位測量實時監(jiān)測變形量以反饋工藝參數(shù)等因素對變形的影響是未來研究的主要方向。

在激光增材制造過程中，通常使用體積能量密度來綜合考慮激光功率、掃描速度、粉末層厚度和掃描間距對零部件成形質(zhì)量的影響，其定義為：

EV=P/vht

式中：EV為體積能量密度；P為激光功率；v為掃描速度；h為掃描間距；t為粉末層厚度。

激光功率代表激光能量的大小，直接控制著熔池的溫度；掃描速度是指單位時間內(nèi)激光掃描的距離，通過控制激光與粉末相互作用的時間來影響熔池溫度。熔池尺寸和峰值溫度隨著激光功率的增加而增大，隨著掃描速度的增加而減小。

有研究表明：金屬熱應(yīng)變隨著激光功率的增大而增加，隨著掃描速度的增加而減小；增大激光功率會產(chǎn)生較大的溫度梯度，而較大的溫度梯度會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服強度后就會造成合金的變形或開裂；當(dāng)激光掃描速度增大時，激光與粉末相互作用的時間縮短，熔池溫度降低、尺寸減小，合金變形減小。激光增材制造過程中，當(dāng)粉末層厚度增加時，粉末層下表面粉末顆粒吸收的熱量減小，造成熔池上下表面的溫度梯度增大，成形件的變形量也增大。還有人在研究工藝參數(shù)對懸臂梁翹曲變形的影響時，發(fā)現(xiàn)變形量隨著粉末層厚度的增加而增大；零部件的殘余應(yīng)力隨粉末層厚度的減小而減小，變形量也隨之減小。掃描間距會直接影響相鄰熔池的搭接率，掃描間距越小，搭接率越大，熱輸入和溫度梯度增大，相應(yīng)的熱應(yīng)力和變形量也增大。另外還有研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描間距減小時，成形件翹曲變形的程度明顯增大。

在激光增材制造過程中，層與層之間的掃描間隔時間也會對變形產(chǎn)生一定影響。激光增材制造零部件的變形主要由殘余應(yīng)力引起，而殘余應(yīng)力在沉積過程中處于不斷的累積、釋放狀態(tài)；累積或釋放量取決于沉積層和基板的應(yīng)力松弛行為。層間掃描間隔時間和溫度則通過影響沉積層和基板的應(yīng)力松弛行為，進而影響成形件的變形。有研究者采用原位測量技術(shù)研究了層間掃描間隔時間對變形的影響，發(fā)現(xiàn)激光增材制造Ti6Al4V合金的變形量隨著層間掃描間隔時間的延長而增大；也有人通過原位中子衍射研究了增材制造Ti6Al4V合金試樣的應(yīng)力松弛機制，推測應(yīng)力松弛可能是通過位錯的滑移和攀移實現(xiàn)的。

激光功率、掃描速度、粉末層厚度、掃描間距和層間掃描間隔時間等工藝參數(shù)對成形件變形的影響較為復(fù)雜。通常，變形量隨著激光功率、粉末層厚度和層間掃描間隔時間的增加而增大，而隨著掃描速度和掃描間距的增大而減小。

在SLM工藝中，掃描策略會對金屬零部件的成形質(zhì)量和尺寸精度產(chǎn)生重要影響。常用的掃描策略包括單向掃描、Z形掃描、螺旋線掃描和島嶼掃描，如下圖所示。

單向掃描和Z形掃描是比較簡單傳統(tǒng)的掃描策略。螺旋線掃描過程中的熱量傳遞比單向和Z形掃描的更均勻，因此產(chǎn)生的溫度梯度更小，溫度場更均勻，最終零部件的殘余應(yīng)力和翹曲變形也較小。島嶼掃描策略是指將待掃描區(qū)域劃分為多個小方形區(qū)域（也稱為島嶼），再按照預(yù)先設(shè)定的掃描順序?qū)@些島嶼進行掃描的一種策略。島嶼掃描策略使得加工過程中的熱量分布更加均勻，減小了熱量集中；而且上下層相鄰島嶼具有相互垂直的掃描方向，減弱了不同沉積層之間及整個金屬零部件的各向異性，有助于減小增材制造構(gòu)件的變形。有研究表明，在層與層之間旋轉(zhuǎn)一定角度(通常為67°或90°)進行掃描也可以減弱沉積層間的各向異性，提高層與層之間的黏結(jié)性，減少分層和翹曲變形等缺陷。

基于上述不同的掃描策略，研究人員進行了很多增材制造零部件變形的研究，如發(fā)現(xiàn)對于平板形狀的零件，從外到內(nèi)的螺旋線掃描策略能減小其變形量；采用層與層之間旋轉(zhuǎn)67°的Z形掃描策略可以有效減小翹曲變形；當(dāng)激光將鋪粉層熔化后，基板在深度方向上產(chǎn)生一定的溫度梯度，基板上部分區(qū)域的熱脹現(xiàn)象更為顯著，因而基板向上彎曲，當(dāng)熔池凝固冷卻時，其收縮會“拉扯”基板向相反的方向彎曲，因此變形量曲線呈波動現(xiàn)象。還有研究發(fā)現(xiàn)，與Z形掃描策略相比，島嶼掃描策略可以有效減小成形件的變形量，并且島嶼掃描順序?qū)ψ冃魏蜌堄鄳?yīng)力的影響比島形尺寸的影響更顯著。也有研究人員采用SLM制備Ti6Al4V合金薄板，基于數(shù)學(xué)算法設(shè)計了間隔式島嶼掃描策略，通過控制掃描順序確保下一個掃描的島嶼與剛掃描完的兩個島嶼不相鄰，從而減弱了增材制造過程中的熱集中效應(yīng)，減小了變形；同時發(fā)現(xiàn)平行于掃描方向的變形量大于垂直于掃描方向的，成形件中的殘余應(yīng)力隨著掃描矢量長度的增長而增大。這是因為較小的掃描矢量長度產(chǎn)生的熔池長度較小，殘余應(yīng)力和變形量也較小。一般在激光增材制造過程中，采用島嶼掃描策略成形的零部件變形最小。

基板是激光增材制造金屬零部件的構(gòu)造平臺，在增材制造過程中也經(jīng)歷著復(fù)雜的熱循環(huán)過程；基板的變形直接影響著成形件的尺寸精度。

研究發(fā)現(xiàn)，在激光增材制造過程中，基板沿沉積方向（Z方向）的畸變遠大于沿其他兩個方向(X和Y方向)，同時激光加工引起的基板變形是永久性的，無法通過熱處理消除。基板預(yù)熱可以減小成形過程中的溫度梯度和冷卻速率，從而減小成形件的殘余應(yīng)力和變形量。另外還有人發(fā)現(xiàn)懸臂梁的翹曲變形程度隨著基板預(yù)熱溫度的升高而減小；以及利用基板預(yù)熱可以有效降低殘余應(yīng)力，并且在一定溫度區(qū)間內(nèi)殘余應(yīng)力隨著預(yù)熱溫度的升高而減小，成形件的變形也隨之減小；在使用SLM技術(shù)成形硬質(zhì)合金工具時，在設(shè)備內(nèi)增加了一臺CO2激光器來預(yù)熱基板，可使成形件的彎曲強度明顯提高，翹曲變形程度相對減小。

此外，原位退火處理也可以減小成形件的殘余應(yīng)力和變形量。

目前，基板預(yù)熱已成為一種減小成形件殘余應(yīng)力和變形的有效方法，而在成形過程中對沉積層進行原位退火為調(diào)控和解決殘余應(yīng)力和變形問題提供了新的思路。