頂刊綜述《Acta Materialia》：全面回顧增材制造金屬材料的斷裂和疲勞！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：近日，南非斯坦陵布什大學(xué)的Thorsten Hermann Becker和新加坡材料研究和工程研究所的Upadrasta Ramamurty等人發(fā)表了題為Fracture andFatigue in Additively Manufactured Metals的頂刊綜述。對(duì)增材制造（AM）合金的結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的當(dāng)前理解進(jìn)行了全面的回顧。強(qiáng)調(diào)了AM合金微觀結(jié)構(gòu)的獨(dú)特方面、工藝相關(guān)屬性及其對(duì)拉伸、斷裂、疲勞裂紋擴(kuò)展和無(wú)缺口疲勞性能的影響，重點(diǎn)介紹了微觀結(jié)構(gòu)和工藝屬性之間的相互作用，以確定AM合金的結(jié)構(gòu)完整性，如接近臨界疲勞裂紋擴(kuò)展速率、斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度。這些方面與鍛造或鑄造合金中各自的結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性進(jìn)行了對(duì)比�？偨Y(jié)了通過(guò)在AM過(guò)程中改變加工條件或通過(guò)退火、熱等靜壓和噴丸等后處理處理來(lái)提高合金損傷容限的策略。識(shí)別了AM合金疲勞和斷裂方面存在的差距，這對(duì)于工程部件的廣泛部署和可靠設(shè)計(jì)至關(guān)重要；這種差距有望為這一領(lǐng)域的研究提供未來(lái)的途徑。

金屬零件的傳統(tǒng)制造除了是關(guān)鍵技術(shù)的促成因素外，也是現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)組成部分。通常，制造包括鑄造，然后使用鍛造、軋制或擠壓（或其他方法）進(jìn)行熱機(jī)械加工“成形”，以及通過(guò)焊接、機(jī)加工、表面改性等進(jìn)行最終“精加工”。隨著這些工藝經(jīng)過(guò)幾個(gè)世紀(jì)的微調(diào)和完善，對(duì)合金成分、加工歷史、微觀結(jié)構(gòu)演變和機(jī)械性能之間關(guān)系的詳細(xì)機(jī)理已經(jīng)發(fā)展并應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐。鑒于結(jié)構(gòu)零件通常必須同時(shí)滿足多個(gè)特性指標(biāo)，此類知識(shí)尤其重要，因?yàn)槌煞只蚣庸ぢ肪�（或兩者）中的微小變化可以以多種方式改變特性組合，而這些方式不一定以簡(jiǎn)單方式關(guān)聯(lián)。

增材制造（AM）—與傳統(tǒng)制造中通常采用的“減法制造”相比—有可能侵占上述微調(diào)制造平衡。這是因?yàn)樗�提供了許多優(yōu)勢(shì)：（i）僅使用一個(gè)制造步驟進(jìn)行近凈形狀零件制造，（ii）允許進(jìn)入設(shè)計(jì)空間的設(shè)計(jì)靈活性，否則無(wú)法利用，（iii）接近零的材料損耗，導(dǎo)致高“飛購(gòu)”比率，（iv）零件的快速原型設(shè)計(jì)和測(cè)試，這顯著縮短了新設(shè)計(jì)的“從概念到部署”周期時(shí)間，（v）使用不同合金制造不同類型組件的靈活性，（vi）按需制造，從而降低庫(kù)存成本，減少供應(yīng)鏈中斷，以及（vii）生產(chǎn)成分梯度零件或包含多種合金的能力。因此，全世界都對(duì)AM感到相當(dāng)感興趣，已經(jīng)（或正在）對(duì)研究和能力建設(shè)進(jìn)行了大量投資。AM對(duì)于工業(yè)4.0的重要性，因?yàn)樗�的�?shù)字特性也是一個(gè)潛在的原因。

在正在探索的不同類別的材料中，金屬和合金的AM在技術(shù)上是最具挑戰(zhàn)性的，因?yàn)橐愿咧貜?fù)性的方式生產(chǎn)零件并不像表面看起來(lái)那么簡(jiǎn)單。由于逐線、逐層建造策略產(chǎn)生的額外工藝相關(guān)屬性，如孔隙度、殘余應(yīng)力、細(xì)觀結(jié)構(gòu)，制造零件不同位置的微觀結(jié)構(gòu)變化為建立加工結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系增加了相當(dāng)大的復(fù)雜性。因此，確保為質(zhì)量評(píng)估和認(rèn)證目的生產(chǎn)的零件的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性仍然是阻礙AM廣泛應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。解決這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是詳細(xì)的結(jié)構(gòu)-屬性關(guān)聯(lián)，其中也考慮了過(guò)程屬性。雖然對(duì)制造方面和微觀結(jié)構(gòu)-拉伸性能連接進(jìn)行了廣泛的調(diào)查和報(bào)告，但對(duì)最終決定工程零件結(jié)構(gòu)完整性的疲勞和斷裂方面沒(méi)有進(jìn)行廣泛的調(diào)查，特別是從“微觀結(jié)構(gòu)”的角度。

疲勞驅(qū)動(dòng)斷裂是承載部件結(jié)構(gòu)失效的最主要原因。在傳統(tǒng)制造的金屬合金中，驅(qū)動(dòng)疲勞失效的萌生、擴(kuò)展和快速斷裂機(jī)制的微觀結(jié)構(gòu)起源已被充分理解。然而，對(duì)于AM合金中獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)（如細(xì)亞穩(wěn)相、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和孔隙率——所有這些都是由獨(dú)特的加工屬性直接導(dǎo)致的）如何影響疲勞和斷裂的理解尚未牢固確立。這不僅對(duì)AM部件的可靠性評(píng)估至關(guān)重要，而且有助于確定必須修改的加工步驟，以生產(chǎn)具有足夠或優(yōu)越結(jié)構(gòu)完整性的部件。AM與大量工藝參數(shù)相關(guān)聯(lián)，允許復(fù)雜的設(shè)計(jì)特征，導(dǎo)致極不尋常的加載配置，并允許定制零件生產(chǎn)；這使得連接材料、工藝和結(jié)構(gòu)特別困難。考慮到這一點(diǎn)，作者在此對(duì)AM合金的疲勞和斷裂方面進(jìn)行了全面的回顧。此外，由于微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能構(gòu)成了討論的重要部分，因此也對(duì)這些方面進(jìn)行了總結(jié)。

綜述第2節(jié)簡(jiǎn)要概述廣泛使用的AM技術(shù)和合金，強(qiáng)調(diào)相關(guān)工藝屬性和常見(jiàn)的AM合金。通常報(bào)告的AM合金主題貫穿整個(gè)綜述，首先討論微觀結(jié)構(gòu)特征（第3節(jié)）和工藝相關(guān)屬性（第4節(jié)）。隨后，對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)特性，即拉伸（第5節(jié)）和斷裂韌性（第6節(jié)）特性進(jìn)行了綜述。第7節(jié)側(cè)重于疲勞裂紋擴(kuò)展行為，而第8節(jié)側(cè)重于無(wú)缺口疲勞。第9節(jié)為結(jié)束語(yǔ)。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

AM的出現(xiàn)有望以前所未有的方式徹底改變金屬零件制造。為了實(shí)現(xiàn)這一潛力，使AM合金能夠成功地應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐，必須深入了解加工微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。AM固有的其他特征，如細(xì)觀結(jié)構(gòu)、孔隙度、殘余應(yīng)力以及它們之間復(fù)雜的相互作用，使這一點(diǎn)變得非常復(fù)雜。雖然已經(jīng)在AM的制造方面以及微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能的評(píng)估方面進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)斷裂韌性和疲勞性能的研究相對(duì)較少。由于這些性能對(duì)于確保AM零件的結(jié)構(gòu)完整性（以及認(rèn)證）至關(guān)重要，因此，更多關(guān)注AM合金的疲勞和斷裂對(duì)于理解這些性能是如何由上述特征控制的至關(guān)重要這樣的知識(shí)，反過(guò)來(lái)，可以用來(lái)設(shè)計(jì)損傷容限結(jié)構(gòu)部件。在這種情況下，需要記住AM合金的以下獨(dú)特方面。

圖1 圖解說(shuō)明（a）基于激光的粉末床熔合（LB-PBP）工藝、（b）基于激光的定向能沉積（LB-DED）工藝和（c）粘合劑噴射打�。˙JP）工藝的示意圖。

圖2 316L中細(xì)胞結(jié)構(gòu)的HAADF干細(xì)胞圖像，其中EDS圖譜顯示鉬和鉻分離到細(xì)胞邊界。LAGB-低角度晶界。

圖3 LB-PBF（a）AlSi12的代表性微觀結(jié)構(gòu)采用單熔體策略生產(chǎn)，（b）SEM圖像顯示具有硅偏析的熔池邊界區(qū)域。(c）使用90˚掃描旋轉(zhuǎn)和（d）后續(xù)層之間67˚掃描旋轉(zhuǎn)生產(chǎn)Ti6Al4V。

雖然延展性是決定合金在工程實(shí)踐中適用性的一個(gè)重要特性，但在AM合金中，它可能不是一個(gè)非常重要的特性。這是因?yàn)閮粜尾考�是直接制造的，不需要進(jìn)一步的“二次機(jī)械加工”，否則，合金的延展性將成為一個(gè)重要因素。由于通過(guò)細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高斷裂韌性——大多數(shù)傳統(tǒng)制造合金中延性作為代理的關(guān)鍵性能，因此最好直接關(guān)注斷裂韌性的評(píng)估以及如何進(jìn)一步優(yōu)化強(qiáng)韌性組合。

如果使用環(huán)境富氫且具有腐蝕性，則會(huì)對(duì)AM合金的結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生重大影響，因?yàn)閬喎�(wěn)相、細(xì)觀結(jié)構(gòu)、孔隙率和固有殘余應(yīng)力會(huì)降低性能。因此，需要對(duì)使用AM生產(chǎn)的合金的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和氫脆等方面進(jìn)行研究，這些方面到目前為止幾乎沒(méi)有受到任何關(guān)注。

盡管在模擬AM過(guò)程本身和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展方面繼續(xù)做出大量努力，但基于力學(xué)的AM合金結(jié)構(gòu)斷裂/疲勞性能關(guān)系建模仍有待研究。通過(guò)這些努力獲得的見(jiàn)解在調(diào)整加工條件以增強(qiáng)損傷容限方面尤其有用，例如在微調(diào)細(xì)觀結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)抗裂性方面。

圖4 顯示分層結(jié)構(gòu)的316L顯微照片。（a） 顯示晶粒取向的IPF圖，（b）顯示熔體池高角度晶界的SEM顯微圖，（c）顯示胞狀結(jié)構(gòu)的TEM顯微圖，（d）胞狀邊界上的氧化物雜質(zhì)。316L的IPF圖顯示了熔池對(duì)織構(gòu)的影響。（e）熔池寬度175μm，深度75μm（f）熔池寬度175μm，深度125μm，以及（g）熔池寬度250μm，深度125μm。

圖5 （a） HAADF-STEM顯微照片和STEM-EDX圖突出了（b）Nb和（c）Ti沿細(xì)胞邊界的分離。顯示（d）AB試樣中Nb偏析的EPMA元素圖，（e）時(shí)效后（AG，720˚C持續(xù)8小時(shí)，620˚C持續(xù)8小時(shí)），（f）溶解和時(shí)效后（STA，980˚C持續(xù)1小時(shí)，AG），（g）均化和溶解后（HSTA，1150˚C持續(xù)1小時(shí)，STA）。SEM圖像顯示了在（h）930˚C和（h）980˚C下處理1h的試樣溶液中δ相的分布。

圖6 SEM顯微照片顯示了（a）AB狀態(tài)下的Si顆粒分布，（b）AN（160˚C持續(xù)5小時(shí)），（C）SR（320˚C持續(xù)2小時(shí)）和（d）T6處理后的Si顆粒分布，（510˚C持續(xù)6小時(shí)），然后是AG（170˚C持續(xù)4小時(shí)）。

圖7 使用LB-PBFTi6Al4V軟件從顯微CT結(jié)果中收集缺陷的縱橫比（AR）與球形度。

在某些情況下，以激光工藝為主的快速凝固條件誘導(dǎo)了亞穩(wěn)和精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)特征，合金元素的固溶性延長(zhǎng)，而構(gòu)建策略賦予了細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。前者能增強(qiáng)強(qiáng)度，后者能增強(qiáng)韌性。AM為設(shè)計(jì)具有增強(qiáng)強(qiáng)度-韌性組合的合金提供的這些額外的“自由度”尚未得到充分利用。

大多數(shù)金屬AM的起始材料為粉末狀。因此，竣工零件中不可避免地存在氣孔。雖然后加工處理（如HIP）可以顯著降低（甚至消除）孔隙率和缺乏熔合缺陷，但它們抵消了AM在一步生產(chǎn)最終零件能力方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)（此外，設(shè)計(jì)復(fù)雜的零件的臀部特征AM的另一個(gè)關(guān)鍵特征可能并不簡(jiǎn)單）。有鑒于此，似乎對(duì)采用AM制造的部件采用“損傷容限設(shè)計(jì)”理念是確保結(jié)構(gòu)完整性和可靠性的最佳方法。在這種方法中，缺陷的存在被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，這使得微觀和細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)近門檻疲勞裂紋擴(kuò)展和裂紋閉合行為的作用變得重要。改進(jìn)∆Kth通過(guò)允許更大的臨界缺陷尺寸，大大提高了HCF性能。然后，使用基于斷裂力學(xué)的方法確保在循環(huán)荷載條件下產(chǎn)生的缺陷尺寸或裂紋長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)臨界缺陷尺寸。為此，必須詳細(xì)了解加工條件如何影響孔隙度。由于缺陷尺寸、形狀和位置等方面在確定零件疲勞壽命方面起著關(guān)鍵作用，因此需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖8 掃描旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的LB-PBFTi6Al4V的重建顯微CT圖像俯視圖，試樣層厚（t）=30μm，填充間距（h）=140μm，（a）Φ=90°（b）Φ= 67°，（c）顯示LB-PBF工藝過(guò)程中使用的四種不同工藝參數(shù)組合的缺陷尺寸分布的直方圖。

圖9 LB-PBF Ti6Al4V的SEM圖像。(b） SEM圖像EB-PBFTi6Al4V。(c） （a）所示試樣的顯微CT掃描。(d） LB-PBFTi6Al4V同步輻射顯微層析成像，分辨率為1.5μm。

圖10 LB-PBF W中的裂紋網(wǎng)絡(luò)。圖中顯示了導(dǎo)致不同熔池尺寸的兩種激光曝光策略：在（a）中為淺熔池，在（b）中為深熔池。黑色箭頭表示橫向裂紋。

圖11 化學(xué)蝕刻LB-PBFTi6Al4V（a）AB表面（AB）和化學(xué)蝕刻（b-d）不同摩爾（M）溶液濃度后的表面光潔度。

圖12 （a） 17-4PH鋼經(jīng)過(guò)沉淀硬化熱處理后的裂紋路徑。位置1和2在（b）顯示1處的微觀結(jié)構(gòu)，在（c）顯示2處的微觀結(jié)構(gòu)。箭頭表示歸因于δ鐵素體的剪切帶，該剪切帶由于δ鐵素體和馬氏體的弱界面以及δ鐵素體的低塑性和脆性行為而加速裂紋擴(kuò)展。

圖13 掃描電子顯微照片顯示（a）Z-X和（b）X-Z方向上LBPBF AlSi12沿激光軌跡的斷裂面。

圖14 LBPBF Ti6Al4V的Z-X（邊緣）、X-Z（垂直）和X-Y（平面）方向上的裂紋輪廓。所有顯微照片均處于AB狀態(tài)，并在近閾值區(qū)域的位置拍攝.

圖15 （a） 基于El Haddad公式的北川高橋圖，用于使用t-Φ, AB和熱處理?xiàng)l件下的30μm-90°和60μm-67°。臨界缺陷尺寸ac隨應(yīng)力幅度σa的變化與缺陷尺寸一起繪制(b） 用t-Φ，30μm-90°和60μm-67°。

圖16 BJP 316L試樣的顯微照片顯示，在應(yīng)力幅度σa為270 MPa的情況下，在疲勞試樣標(biāo)距長(zhǎng)度上觀察到從裂紋的所有角開(kāi)始的小疲勞裂紋，在107個(gè)循環(huán)中存活。插圖中顯示的EDS圖顯示，其中一個(gè)角裂紋被基體中的δ–鐵素體阻止。

目前，阻礙金屬AM零件在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要原因是微觀結(jié)構(gòu)的空間變化、高殘余應(yīng)力、表面光潔度和缺陷的存在，這些缺陷由原料、按制造和機(jī)器對(duì)機(jī)器的可變性復(fù)合而成。對(duì)工藝結(jié)構(gòu)（包括屬性）-機(jī)械性能連接的透徹理解將有助于深入了解其中哪些是關(guān)鍵的（如果有的話），從而更容易將AM零件與確保的可靠性進(jìn)行集成。