专家解读浙江大学赵阳教授为您解读选择性激光熔融增材制造不锈钢力学性能研究进展及统计分析

增材制造（additive manufacturing, AM）技术，又称3D打印、快速成型（rapid prototyping）技术，是以三维模型数据为基础，通过材料逐层堆叠的方式来制造物体的工艺。与传统的减材制造通过切割材料毛坯“减去”材料以创建最终产品不同，增材制造通过逐步“添加”材料来形成最终产品。

为区别一般工业生产流水线中的增材制造技术，应用于土木建筑工程的增材制造/3D打印也称为3D打印建造。3D打印建造具有打印材料丰富（包括混凝土、石膏、钢材、砌块以及碳纤维等新型材料）、打印设备形式各异、打印方式多样、预制与现场打印并行等特点。

增材制造在空间钢结构领域的应用探索大多围绕节点进行。澳大利亚皇家墨尔本理工大学对某装配式大跨空间顶棚模型的节点进行拓扑优化并使用熔融沉积成型（FDM）技术实现了144个节点的制造（图1a）。当然，利用FDM制造的塑料模型只能用于结构模型，无法应用于工程实际。2013年，瑞典建筑公司Skanska采用分段3D打印技术完成了伦敦一个玻璃穹顶金属节点的制造和拼装（图1b）。2014年，ARUP对荷兰海牙市一处张拉整体结构街灯的节点进行了拓扑优化设计并利用SLS技术实现了增材制造，图1c所示为常规节点与金属打印优化节点的比较。作者团队对“世博轴”阳光谷自由曲面单层网壳节点及肋环人字形索穹顶中的几个典型节点进行了拓扑优化设计，并利用FDM或SLM技术实现增材制造（图1d、1e）。

由上述实例可见，在建筑结构领域，金属增材制造技术往往与拓扑优化技术联合应用于构件的设计和制造中。以空间结构节点为例，通过拓扑优化可以快速找到节点的合理初始形态，改善节点性能、减轻节点重量，节点形式新颖且富有设计美感，但通常具有不规则且十分复杂的几何形状，采用传统制造工艺几乎无法实现。而增材制造技术由于其快速自由成型的特点为优化节点的制造成型提供了新的有效途径，同时由于增材制造适合个性化定制、小批量生产的特点，节点设计中不必考虑批量生产制造以降低成本的要求，有利于获得受力性能最佳的节点设计。

当前，金属增材制造技术在实际工程中的应用还存在较大障碍，价格昂贵固然是重要的经济因素，对材料力学性能缺乏全面了解则是技术层面的主要瓶颈。尤其在建筑结构领域，对材料力学性能的全面认识是结构设计安全的根本保证。目前对金属增材制造技术的研究主要集中于设备研发、制造工艺、材料选择等方面，对材料力学性能的研究还不多见，缺乏完整的设计指标与评价体系。

基于此，在国家自然科学基金（面向增材制造的空间结构节点拓扑优化与力学性能，52078452）的支持下，作者团队针对两类具有广泛工程应用前景的增材制造金属（SLM与WAAM），研究其力学性能与设计方法，以期为金属增材制造技术在空间结构节点乃至其他建筑结构中的应用提供技术保障。

本文的主要内容分为两个部分：第一部分在简要介绍金属增材制造技术分类的基础上，对选择性激光熔融（SLM）技术的研究进展进行梳理，以SLM制品的力学性能及其主要影响因素为重点进行综述。第二部分利用SLM技术制备了48个316L不锈钢试样，对弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率和泊松比等基本力学性能的单轴拉伸试验结果进行统计分析。

自20世纪80年代末起，增材制造作为对制造业具有颠覆性影响的新兴技术得到了迅速发展，国内外针对打印材料、成型方式、数控技术以及设备生产等关键问题进行了广泛而深入的探索。根据国际标准化组织TC261和美国材料试验协会F42委员会联合发布的标准（ISO/ASTM 52900），增材制造技术可分为七大类，其中与金属制造相关的主要有粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）、定向能量沉积（directed energy deposition，DED）、粘合剂喷射（binder jetting，BJ）以及薄片层压（sheet lamination，SL）等技术。表1中汇总了目前常用的金属增材制造技术。

表1  常用不锈钢金属增材制造技术及分类

SLM技术首先将产品的CAD模型进行切片，然后采用粉床铺粉工艺，通过激光束按照切片数据逐层选择性地融化金属粉末；金属粉末经激光加热融化形成熔池，激光束远离后温度快速下降并凝固，经过逐层堆叠可获得近终型产品。由于SLM技术不同于传统生产技术的生产过程，其产品的力学性能表现出了独特的力学性能。从生产条件角度，原材料金属粉末、扫描路径和激光输入能量等与产品的力学性能密切相关。从制品角度，微观结构中的外延生长晶体（有方向性的微结构）、微观缺陷、熔池边界以及残余应力是影响 SLM 制品力学性能的主要因素。

已有研究表明，SLM不锈钢制品的弹性模量与传统制造方法产品差异不大，屈服强度和抗拉强度能够达到甚至高于未退火处理的锻件水平，但屈强比较高、延伸率较低。同时，SLM制品的力学性能表现出较为明显的各向异性，且不同研究中力学性能差异较大。因此，对SLM不锈钢制品的力学性能取值，不能仅参考已有研究的结果，需要结合实际进行试验与分析。

总体上，SLM不锈钢制品具有良好的致密度和力学性能，但由于熔池边界、外延生长晶体和微观缺陷等不同于传统制造工艺的特征，导致其力学性能表现出一定的不均匀性和各向异性。从设计应用的角度，制样方向和工艺参数都可能对SLM制品的力学性能产生影响，但目前相关研究尚未能做出准确评估，需要进一步的深入研究。

文中较为系统地总结了外延生长晶体、微观缺陷、熔池边界以及残余应力等因素对SLM 制品力学性能的影响，并汇总了目前公开发表的文献中SLM不锈钢制品基本力学性能的试验结果。

为研究 SLM 产品的力学性能，本次试验制备了16组共48个试样，每组含3个相同试样。考虑的影响因素包括两种制造设备（A组为EOS M290，B组为HBD 280）、两种厚度（2 mm和5 mm） 和 5个制备方向（H0、H45、H90、V0、V90）。试样方向定义见图2a，图2b以实际制样方式排列了5 mm厚度的5组15个试样。

采用电子万能试验机对各试样进行单轴拉伸试验。测量的力学性能指标包括对应弹性阶段的力学性能指标（弹性模量、泊松比）和对应塑性阶段的力学性能指标（屈服强度、抗拉强度和延伸率）。试验结果如图3所示，图中给出的力学性能指标为每组3个试样的平均值。所有试件拉伸破坏后的照片见图4。

图5给出了A、B两组竖直向5 mm厚度的6个试样的应力-应变曲线和根据各组力学性能指标获得的R-O、G-R-O本构模型曲线。可以发现，修正R-O模型在试样达到名义屈服强度之前与SLM试样的应力-应变曲线吻合良好，且偏于安全；而G-R-O模型则与屈服后的应力-应变曲线吻合较好。对其余试样进行分析可以得到类似结论。因此，可以认为，SLM 316L不锈钢制品的单轴拉伸应力-应变关系可以沿用已有的修正R-O模型和G-R-O模型。

进一步利用 SPSS 软件对试验数据进行方差分析。分析结果表明：由试验中获得的数据，对于水平向同一设备的试样，近似可以忽略方向的影响，但不能忽略厚度的影响；而对于竖直向同厚度的试样，不能忽略设备和方向的影响。基于以上分析，表2给出了试验弹性模量、屈服强度和抗拉强度的均值和具有95%保证率的参考值范围。对于给出了厂商推荐取值的A组试样，由试验得到的强度参考范围在厂商提供的范围内，而水平向、竖直向弹性模量的平均值分别比厂商提供的参考值高6.8%和6.7%。

表2 均值和参考值范围

从金属增材制造技术的发展现状看，选择性激光熔融（SLM）技术、丝材电弧增材制造（WAAM）技术分别是制造中小型、大型不锈钢构件的合理选择。SLM制品的力学性能呈现较为明显的各向异性和不均匀性，微观结构中的外延生长晶体、微观缺陷、熔池边界以及残余应力是影响力学性能的主要因素。

两种制造设备、两种试样厚度和5个制备方向的16组48个SLM试样的拉伸试验结果表明，不同组试样的力学性能具有较为明显的差异。弹性阶段的弹性模量、泊松比和在弹塑性分界点的屈服强度大多符合正态分布规律，而对应塑性阶段的抗拉强度、延伸率与正态分布相差较大。得到了各组试样的弹性模量、屈服强度和抗拉强度的平均值和参考值范围，可供实际应用参考。

在本文研究工作基础上，作者团队还进行了以下相关工作：

1）大比例结构模型中的SLM节点试验 。在直径10 m的新型索穹顶结构模型试验的基础上，对其中的2个典型节点进行拓扑优化并利用SLM技术实现不锈钢增材制造，在试验模型中用SLM节点替代原节点进行静力加载试验（图7），从而了解SLM节点在实际三维受力条件下的力学性能。

2）电弧增材制造（WAAM）不锈钢的力学性能试验研究 。采用冷金属过渡焊接技术电弧增材制造工艺制备了3种打印方向及2种厚度的12组36个316L不锈钢试样（图8），并对其进行基本力学性能试验和断口扫描电镜试验。