表面粗糙度對(duì)增材制造TC4疲勞性能的影響

作者： 金鑫源

增材制造已經(jīng)成為越來(lái)越受歡迎的制造技術(shù)，可以提供高的設(shè)計(jì)自由度，并具有優(yōu)化復(fù)雜幾何形狀和定制零件的巨大潛力。在航空航天領(lǐng)域中，可以利用拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀，進(jìn)而可以減少結(jié)構(gòu)部件的重量，從而有效地提高燃料效率。這些復(fù)雜的幾何形狀通常不 能通過(guò)傳統(tǒng)的減材制造方法生產(chǎn)，而完全使用增材制造（AM）生產(chǎn)的Ti-6Al-4V打印件所面 臨的主要問(wèn)題之一是性能的可靠性，特別是在循環(huán)載荷的條件下使用時(shí)。而由于增材制造生產(chǎn)的零件通常具有結(jié)構(gòu)缺陷如裂紋、孔隙和表面粗糙度，因此需要進(jìn)一步研究增材制造打印件的疲勞行為。

1.增材制造
盡管目前已有學(xué)者對(duì)增材制造試樣表面粗糙度與疲勞行為之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，但是經(jīng)常對(duì)成形件表面進(jìn)行了機(jī)加工和拋光處理降低表面粗糙度，以獲得可以與鍛造件相比的疲勞極限。但增材制造技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)之一就是可以直接制造近凈部件而不需要表面后處理，目前對(duì)直接打印成形件的表面粗糙度與疲勞行為的聯(lián)系仍需系統(tǒng)研究。

2　研究思路
本文作者選取Ti-6Al-4V作為研究對(duì)象，探索了零件尺寸與表面粗糙度，表面積和試樣直徑對(duì)直接打印的成形件疲勞行為的影響，具體思路是用EOS M290設(shè)備以一定參數(shù)，按45°的成形方向打印了不同幾何尺寸的試樣，測(cè)試不同試樣的表面粗糙度和相應(yīng)的疲勞性能，將幾何尺寸、表面粗糙度和疲勞性能之間的關(guān)系進(jìn)行表征，對(duì)于設(shè)計(jì)可靠的增材制造零件和指定應(yīng)用載荷的零件提供了相關(guān)的參考依據(jù)。

3　圖文導(dǎo)讀

圖一  不同幾何尺寸的試樣及上下表面示意圖

五個(gè)試樣的幾何形狀如圖1所示，可以分成兩個(gè)不同的組。第一組保持恒定的應(yīng)變區(qū)體積（CGV），同時(shí)將表面積逐漸增加25％。如形狀1-3所示；第二組保持恒定的應(yīng)變區(qū)直徑（CGD），同時(shí)將表面積逐漸增加 25％，如形狀4-5所示。

圖二    五種幾何形狀的N-S曲線

（a）為測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)，（b）為擬合的N-S疲勞曲線。圖中可以看到形狀1和2在應(yīng)力幅度為100MPa時(shí)都具有疲勞極限，而所有其他形狀在該應(yīng)力水平下都發(fā)生失效。然而，當(dāng)應(yīng)力幅度接近200MPa時(shí)，圖（a）中形狀2-5之間的數(shù)據(jù)顯示出一致的重疊性。比較圖b中的N-S曲線，可以看到形狀2-5都發(fā)生了彼此的重疊。

表一   實(shí)驗(yàn)中不同幾何尺寸的試樣表面粗糙度

表1中可以看到，對(duì)于所有的幾何形狀，上表面的粗糙度是大致相似的，大約都在12-15μm。而幾何形狀2-5之間的下表面粗糙度具有一致性，幾何形狀1具有與上表面相當(dāng)?shù)谋砻娲植诙�。結(jié)合圖2（b）中的N-S曲線表明，增加下表面的粗糙度值對(duì)抗疲勞性是更加不利的。

圖三   五種幾何形狀試樣表面粗糙度箱型圖

圖中可以看到，形狀2-5上下表面粗糙度差異顯著；而較大直徑的幾何形狀1試樣具有近乎相同的上下表面粗糙度。根據(jù)表面粗糙度統(tǒng)計(jì)可以分析解釋不同幾何形狀的低周疲勞行為（σa≥200MPa）差異上的原因。與幾何圖形2-5相比，幾何形狀1具有最小的表面積并且同時(shí)具有最大直徑，顯示出了圖2中所示更好的疲勞性能。對(duì)于幾何形狀1試樣中觀察到較少的裂紋起始位點(diǎn)，可以通過(guò)樣品的上下表面之間較小的粗糙度差異來(lái)解釋。另一方面，幾何形狀2-5在其下表面具有相似的粗糙度，這解釋了其低周疲勞性能類(lèi)似的原因。

圖四    （a）形狀1（b）形狀2和（c）形狀3在應(yīng)力幅度為200MPa時(shí)的裂紋起始位置，其中（a）是最大直徑（最小表面積），（c）是最小直徑（最大表面積）。

圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著直徑的減小，裂紋萌生點(diǎn)的數(shù)量增加而萌生點(diǎn)之間的距離縮小。而萌生位置越接近，各個(gè)裂縫的相互作用越快，最終會(huì)以更大的驅(qū)動(dòng)力聚結(jié)成單個(gè)大裂縫。

圖a中只有一個(gè)不同的撕裂脊，有兩個(gè)裂紋萌生點(diǎn)，如箭頭表示，且彼此相距較遠(yuǎn)。

圖b中仍然只有一個(gè)不同的撕裂脊，但兩個(gè)裂紋萌生點(diǎn)彼此稍微靠近了一些。

最后，圖c中顯示至少四個(gè)不同的撕裂脊，且具有比圖b中更接近的起始位置。同時(shí)，圖c中的撕裂脊在深度上看起來(lái)更大，導(dǎo)致在第一裂紋擴(kuò)展階段比圖a和b中有更多的曲折表面。這些觀察結(jié)果也解釋了幾何形狀4和5的疲勞數(shù)據(jù)十分相近的原因。而對(duì)于具有相似直徑的試樣，無(wú)論表面積如何，疲勞壽命大多是一致的，這表明直徑因素可能對(duì)疲勞性能更具影響。

4　總結(jié)及編者評(píng)述
本文研究了增材制造打印不同幾何形狀/尺寸的試樣的表面粗糙度與疲勞性能的關(guān)系，結(jié)果表明：

1. 試樣不同的表面積可能會(huì)影響實(shí)際的疲勞性能，但是作者對(duì)不同直徑試樣的研究中，沒(méi)有觀察到增加表面積對(duì)疲勞行為的顯著影響。而裂紋的萌生對(duì)表面粗糙度非常敏感，其中所有裂紋都在較粗糙的下表面上萌生，而具有較低表面粗糙度的試樣通常顯示出優(yōu)異的疲勞性能。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于打印垂懸結(jié)構(gòu)的成形件具有重要的指導(dǎo)意義，如較高的下表面粗糙度將更容易引起裂紋，導(dǎo)致較低的抗疲勞性能。

2. 橫截面直徑對(duì)裂縫的萌生行為影響較大，其中較小直徑的試樣通常具有彼此臨近的多個(gè)裂縫起始點(diǎn)。多個(gè)起始裂紋相互接近使得裂縫更早地發(fā)生聚結(jié)，這使得裂縫生長(zhǎng)的穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致疲勞壽命降低。而隨著成形件直徑的增大，使得邊緣下有更大的凝固體積，可以更有效地耗散熔池的熱量，實(shí)驗(yàn)中直徑大于4.90mm的試樣下表面粗糙度顯著降低。該結(jié)果表明，通過(guò)增加垂懸部件的厚度/尺寸，可以減輕下表面粗糙度帶來(lái)的影響。

3. 對(duì)于具有較小直徑的試樣，研究發(fā)現(xiàn)表面粗糙度對(duì)高周疲勞行為的影響更大，在高周疲勞狀態(tài)下，所施加的應(yīng)力更高并且疲勞壽命更短。

4. 直接打印Ti-6Al-4V成形件的疲勞極限約為110MPa，顯著低于Ti-6Al-4V鍛造件的疲勞極限(550-750MPa)。粗糙表面引入的許多微缺口，很可能是SLM打印的Ti-6Al4V試樣疲勞強(qiáng)度降低的主要原因之一。本文針對(duì)增材制造打印件表面質(zhì)量對(duì)疲勞性能影響的基礎(chǔ)理論研究，對(duì)實(shí)際打印過(guò)程中復(fù)雜垂懸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝的控制有一定指導(dǎo)意義。

本文由高溫合金精密成型研究中心2017級(jí)碩士-金鑫源編輯整理

作者： 金鑫源
來(lái)源：高溫合金精密成型研究中心