澳大利亚和印度的研究人员开发了一种新的理论模型，可成功预测激光3D打印的残余应力和临界沉积高度。该模型由印度理工学院孟买的Ramesh Singh教授团队与莫纳什大学的Wenyi Yan教授共同开发，研究了热机械行为和通过直接能量沉积技术（如激光熔覆）进行的冶金转化。

激光熔覆广泛用于汽车和航空航天工业中零件和结构部件的维护，修理和大修，因为它改善了材料特性。“定向能量沉积方法在航空航天部件，模具和模具的维修和再制造方面具有巨大的潜力，这些部件，模具和模具因循环热机械加载而受到损坏。但是，沉积层中存在拉伸残余应力会降低恢复部件的疲劳寿命。在这项协同工作中开发的完全耦合的热机械和冶金模型已用于确定临界沉积高度，以确保压缩残余应力。沉积层可持续修复。“

用Neutron和X射线衍射测量有限元模型预测残余应力的比较。图片来源：澳大利亚核科学技术组织（ANSTO）

他们的工作在《科学报告》杂志上在线发表。在该论文中，研究人员报告说，通过其金属热机械模型预测的激光熔覆钢横截面上残余应力的变化表明存在临界沉积高度。沉积的临界高度对应于层厚度，当沉积时，层厚度将使沉积层和基板中的有益压缩残余应力最大化。低于临界高度的沉积将在界面处产生有害的拉伸残余应力，而高于临界高度的沉积将导致过度稀释。

研究还发现，在沉积的临界高度，凝固速率最小。Kowari残余应力衍射仪用于测量H13钢样品中的宏观残余应力，该样品是用钒含量高的坩埚颗粒冶金钢粉激光包覆的。Kowari残余应力的三维测量是高度准确和非破坏性的。

“使用应变扫描仪器 Kowari，我们能够识别沉积层中的三轴残余应力，这证实了模型预测的位置，”Mark Reid博士的论文的共同作者研究科学家和工业联络经理Anna博士说。激光熔覆包括将熔融金属沉积在相对冷的钢基板上，产生复杂的残余应力分布。

基于热机械性能的理论模型（通常使用）被证明高估了拉伸残余应力并低估了基材和界面中的压缩残余应力。该团队使用印度理工学院的表面X射线衍射测量一个方向的残余应力。然而，重要的是进行独立的完全非破坏性的体积测量，以验证内部测量程序。两种衍射技术都表明在熔体前沿附近存在拉伸残余应力，在沉积层和界面区域中存在压应力。“了解应力并能够预测它们对于增材制造行业非常重要。验证模型非常有益，因为使用该模型进一步优化制造过程将具有成本效益并节省时间，”Paradowska说。

“该模型允许您计算激光位置速率，以达到特定的沉积高度，同时最大限度地减少有害应力的影响，并最大化有益的压缩应力。”该研究的作者建议展示一种科学的技术解决方案，可以提高激光添加剂工艺制造的元件的质量，安全性和经济性。