增材制造金屬的斷裂和疲勞（2）

長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文對(duì)AM合金中結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的當(dāng)前理解進(jìn)行了全面回顧。本文為第二部分。

4、流程相關(guān)屬性
AM合金中與工藝相關(guān)的屬性由廣泛的工藝參數(shù)和物理現(xiàn)象控制，包括激光曝光策略、粉末質(zhì)量和進(jìn)料系統(tǒng)、BJP情況下的粘合劑性能以及構(gòu)建平臺(tái)溫度。此外，零件設(shè)計(jì)、定位和支撐結(jié)構(gòu)會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，包括缺陷（例如鍵孔和未熔合）、殘余應(yīng)力和表面光潔度。除了微觀結(jié)構(gòu)外，這些屬性還可以顯著影響材料的機(jī)械性能，尤其是在零件的使用疲勞性能方面。在本節(jié)中，我們總結(jié)了幾個(gè)AM系統(tǒng)中常見(jiàn)的流程相關(guān)屬性。

4.1. 缺陷
ASTM E3166將缺陷描述為氣孔、缺乏熔合(LOF)不連續(xù)、啟停錯(cuò)誤、夾雜、層移位、材料熔合不足/過(guò)熔。這些缺陷通常導(dǎo)致密度的損失，然而，它們也可能以裂紋的形式出現(xiàn)。當(dāng)使用最優(yōu)工藝參數(shù)組合時(shí)，當(dāng)前的AM技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.9%的密度。在BJP中，零件的最終密度直接依賴(lài)于綠色階段的填充密度，由于粉末質(zhì)量和燒結(jié)工藝導(dǎo)致了氣孔。值得注意的是，密度和收縮之間存在妥協(xié)。當(dāng)高度致密的零件必不可少時(shí)，使用更高的溫度和更長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間，這就允許接近完全致密的零件，但具有更高的尺寸收縮。

許多研究旨在優(yōu)化工藝參數(shù)，如熱源特性、暴露策略、層厚和零件取向，以獲得最大可能的密度和最小的缺陷尺寸。粉末材料的能量輸入和熔化之間存在著復(fù)雜的平衡;能量不足導(dǎo)致粉末的部分熔化，導(dǎo)致形成“缺乏熔合(LOF)”和“未熔粉顆�！鳖�(lèi)型的缺陷。相反，過(guò)多的能量輸入會(huì)導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定，導(dǎo)致飛濺和蒸發(fā)，從而形成氣夾和鑰匙孔型缺陷。非最優(yōu)參數(shù)也會(huì)導(dǎo)致軌跡不連續(xù)、線間冶金結(jié)合弱和分層。

在循環(huán)荷載條件下，缺陷作為裂紋萌生點(diǎn)，因此對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。缺陷直徑（尺寸）、形狀（包括銳半徑和裂紋狀特征）和位置（包括最近鄰缺陷和到自由表面的距離）起著關(guān)鍵作用，而密度作為單一材料參數(shù)的使用不足以全面評(píng)估缺陷對(duì)AM合金疲勞壽命的影響。圖7總結(jié)了LB-PBF 316L中觀察到的缺陷形態(tài)。描述缺陷屬性的三個(gè)關(guān)鍵特征是球度（或圓度）、長(zhǎng)寬比和尺寸（直徑）。

圖7 長(zhǎng)徑比（AR）與從LB-PBF Ti6Al4V顯微CT結(jié)果中收集的缺陷的球形度。

大多數(shù)氣體缺陷接近球形，因此具有高球形度和高縱橫比。另一方面，LOF缺陷形狀不規(guī)則，邊緣鋒利。它們可能包含未熔化的粉末顆粒，并且通常具有較低的球形度和縱橫比。氣體缺陷的大小通常與熔池大小相關(guān)。與EB-PBF和LB-DED相比，LB-PBF通常會(huì)產(chǎn)生較小的缺陷。LOF缺陷的大小通常與圖案填充間距的順序相同。LOF缺陷被認(rèn)為是導(dǎo)致PBF和DED工藝中疲勞失效不良的主要原因。在BJP中，缺陷尺寸明顯較小，且具有高縱橫比。

Kumar和Ramamurty[研究了工藝參數(shù)組合對(duì)LB-PBF Ti6Al4V中孔隙度分布的影響。重建的顯微CT圖像顯示，缺陷尺寸和分布對(duì)所用的工藝參數(shù)敏感。當(dāng)使用90°的掃描旋轉(zhuǎn)時(shí)，觀察到缺陷在構(gòu)建方向上對(duì)齊，但當(dāng)掃描旋轉(zhuǎn)67°時(shí)，缺陷隨機(jī)分布，如圖8a和b所示，即使兩種情況下的體積能量密度相似。如圖8c[所示，通過(guò)采用67°的掃描旋轉(zhuǎn)或通過(guò)減少圖案填充間距來(lái)確保相鄰熔池之間的更大重疊，可以顯著降低相對(duì)較大缺陷的頻率。

圖8層厚（t）=30µm，圖案填充間距（h）=140µm的LB-PBF Ti6Al4V樣品的重建顯微CT圖像俯視圖。

4.2. 表面粗糙度
逐層制造工藝與附著在表面的半熔融顆粒以及亞表面和表面連接缺陷的存在相結(jié)合，導(dǎo)致AM合金零件的表面高度粗糙，如圖9所示。表面粗糙度受工藝類(lèi)型和所用參數(shù)、粉末尺寸、層厚度、零件幾何形狀以及表面相對(duì)于構(gòu)建方向的方向的影響。例如，傾斜角度的分層會(huì)產(chǎn)生具有“樓梯”形態(tài)的表面，其坡度或曲率由每層的位置近似。此外，由于熱源相對(duì)于建筑平臺(tái)的方向不同，上下朝向的側(cè)面會(huì)導(dǎo)致不同的表面形態(tài)；與上向側(cè)相比，下向側(cè)的粗糙度明顯更高。

圖9 （a） LB-PBF Ti6Al4V的SEM圖像。（b） SEM圖像EB-PBF Ti6Al4V。（c）（a）所示樣本的顯微CT掃描。（d） LB-PBF Ti6Al4V的同步輻射顯微層析成像分辨率為1.5μm。

通常情況下，DED工藝的表面光潔度最好，EB-PBF最差。例如，Ti6Al4V的平均表面粗糙度（Ra）的報(bào)告值為18.5±6.5µm（LB-DED）、35±12.3µm（LB-PBF）和131±45.5µm（EB-PBF）�；�于激光和電子束的工藝使用更細(xì)的粉末和層厚度，由于粉末在零件邊緣燒結(jié)，這些粉末和層厚度容易“衛(wèi)星”形成。然而，由于線寬和層高顯著增大，DED技術(shù)在使用近凈形狀（即，在加工以提供最終幾何形狀后，接近所需零件幾何形狀的形狀）方面受到限制。

4.3. 殘余應(yīng)力
與BJP不同的是，在BJP中，內(nèi)置零件中的殘余應(yīng)力可以忽略不計(jì)，PBF和DED工藝受到高殘余應(yīng)力的困擾，而由于它們通常在內(nèi)置零件的一個(gè)位置到另一個(gè)位置之間發(fā)生顯著變化，這加劇了高殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)裂、分層、零件翹曲和潛在的建造失敗。如此高的殘余應(yīng)力是這些過(guò)程固有的局部熱輸入和快速冷卻的結(jié)果。局部區(qū)域在被高能束快速加熱時(shí)的膨脹受到鄰近材料的抑制，這通常會(huì)導(dǎo)致壓縮塑性應(yīng)變。隨后熔融合金的快速冷卻和相關(guān)收縮導(dǎo)致高拉伸應(yīng)力。

在DED 316L中使用中子衍射進(jìn)行的測(cè)量表明，殘余應(yīng)力約為合金屈服強(qiáng)度的50–80%。LB-PBF Ti6Al4V和Inconel 718中報(bào)告了類(lèi)似的值。這些應(yīng)力沿構(gòu)建方向（Z）最大，在零件中心受壓，在外部自由表面拉伸，并且更集中在構(gòu)建平臺(tái)界面附近。

殘余應(yīng)力的大小隨著掃描線長(zhǎng)度的增加而增加。考慮到這一點(diǎn)，減少制造過(guò)程中應(yīng)力累積的最常見(jiàn)方法是實(shí)施掃描策略，將層劃分為較小的“島”或“條”，從而減少最長(zhǎng)的不間斷行程。PBF系統(tǒng)主要通過(guò)在每一層之后旋轉(zhuǎn)熱源的掃描方向來(lái)處理應(yīng)力積聚。層高度也直接影響應(yīng)力分布；與較厚的層相比，較細(xì)的層導(dǎo)致更高的應(yīng)力梯度。

高殘余應(yīng)力的影響在制造和使用過(guò)程中都會(huì)造成問(wèn)題。在鎳基高溫合金和鎢等硬質(zhì)金屬中，經(jīng)常觀察到沿熔池路徑形成的小裂紋，見(jiàn)圖10。據(jù)報(bào)道，較大零件中顯著拉伸應(yīng)力的累積會(huì)導(dǎo)致制造過(guò)程中支撐結(jié)構(gòu)或構(gòu)建平臺(tái)的分層。由于零件變形，尺寸公差也受到顯著影響。殘余應(yīng)力可以在疲勞期間作為額外的裂紋驅(qū)動(dòng)力，從而促進(jìn)裂紋萌生和擴(kuò)展。

圖10 LB-PBF鎢中的裂紋網(wǎng)絡(luò)。圖中顯示了兩種導(dǎo)致不同熔池尺寸的激光曝光策略：（a）中較淺，但（b）中較深。黑色箭頭表示橫向裂紋。

4.4. 改善過(guò)程相關(guān)屬性的后處理處理

制造后，需要幾個(gè)步驟才能將AM部件轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K用途部件。通常，去除多余的粉末，從構(gòu)建平臺(tái)上切割零件，并加工出支撐結(jié)構(gòu)�？刹捎妙~外的后處理來(lái)改善與工藝相關(guān)的屬性，包括熱處理以改善微觀結(jié)構(gòu)和/或緩解殘余應(yīng)力，熱等靜壓（HIP）以減少孔隙度，以及某種形式的表面精加工以實(shí)現(xiàn)所需的表面光潔度和形位公差。

在熱等靜壓處理的激光PBF Ti-6Al-4V中，遠(yuǎn)離缺陷和試樣表面的兩個(gè)位置的EBSD相位取向圖。

熱處理通常用于AM Ti6Al4V、SS、鎳基高溫合金和鋁合金。SR熱處理涉及恢復(fù)。LB-PBF和DED零件通常在從構(gòu)建平臺(tái)上切割之前進(jìn)行應(yīng)力消除，以限制與幾何公差要求的偏差。高溫退火通常會(huì)導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)、晶粒取向的變化，并可促進(jìn)更等軸微觀結(jié)構(gòu)的形成。這通常伴隨著強(qiáng)度降低、延展性增加和各向異性降低。然而，高溫?zé)崽幚聿⒉荒芴岣呙芏群捅砻婀鉂嵍取?br />
熱等靜壓是一種普遍推薦的工藝，用于減少使用AM制造的零件中的孔隙。例如，已經(jīng)證明可以閉合LB-PBF鎳基高溫合金和Ti6Al4V中的內(nèi)部缺陷和裂紋。此外，它可以消除殘余應(yīng)力。如果含有氣體的缺陷沒(méi)有完全閉合，后續(xù)熱處理可以重新打開(kāi)它們。對(duì)LB-PBF Ti6Al4V的研究表明，雖然內(nèi)部缺陷在EDE節(jié)期間閉合，但表面和近表面缺陷仍不受影響。在某些情況下，熱等靜壓可能通過(guò)顯著的晶粒生長(zhǎng)顯著改變AM零件的晶粒結(jié)構(gòu)。

熱等靜壓處理的激光PBF Ti-6Al-4V中缺陷附近的EBSD相位方向圖。

提高AM零件表面光潔度的最常用方法是使用標(biāo)準(zhǔn)工藝（如銑削和車(chē)削）進(jìn)行加工。由于AM允許的幾何復(fù)雜性，CNC過(guò)程通常是必要的，主要與近凈形狀過(guò)程（如DED）結(jié)合使用。然而，AM提供的幾何自由需要未定義的幾何過(guò)程。據(jù)報(bào)道，有助于提高表面光潔度的技術(shù)包括振動(dòng)研磨、化學(xué)拋光、電拋光、表面機(jī)械磨損處理（SMAT）和超聲波納米晶表面改性（UNSF），以及簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)工具拋光或使用砂帶磨光機(jī)研磨（用于平面）。Bezuidenhout等人表明，HF-HNO3可以將LB-PBF Ti6Al4V的表面粗糙度降低高達(dá)90%，如圖11所示。然而，這些過(guò)程可能很難控制，并且并不總是滿(mǎn)足高質(zhì)量零件所需的標(biāo)準(zhǔn)。噴丸處理也被推薦為一種表面處理技術(shù)。雖然不一定能顯著改善表面光潔度，但材料表面的機(jī)械加工會(huì)產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。

圖11 化學(xué)蝕刻LB-PBF Ti6Al4V（a）AB表面（AB）后的表面光潔度，以及化學(xué)蝕刻（b–d）不同摩爾（M）溶液濃度后的表面光潔度。

5、拉伸性能

AM合金的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能主要由其中的微觀結(jié)構(gòu)控制，而孔隙度、表面粗糙度和殘余應(yīng)力的作用不太顯著（除非其水平太大，或拉伸延展性低）。如第3節(jié)所述，直接制造方法的微觀結(jié)構(gòu)良好，存在凝固胞狀結(jié)構(gòu)；與傳統(tǒng)生產(chǎn)的微觀結(jié)構(gòu)相比，這種精細(xì)（有時(shí)是亞穩(wěn)）的微觀結(jié)構(gòu)具有較高的靜態(tài)強(qiáng)度和較低的延展性。在許多AM合金中，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度（YS）符合Hall-Petch關(guān)系，這意味著更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)特征是觀察到高屈服強(qiáng)度的原因。另一方面，使用BJP制造的合金的性能與傳統(tǒng)生產(chǎn)的類(lèi)似。

AM合金的拉伸性能，如YS、極限抗拉強(qiáng)度（UTS）和斷裂伸長(zhǎng)率（EF）通常是各向異性的，YS和UTS在構(gòu)建方向（Z）上更優(yōu)越。EF中的各向異性通常最為明顯，在垂直于構(gòu)建方向（X和Y）的方向上具有較高的值。這種行為歸因于明顯的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，在某些情況下還歸因于晶體結(jié)構(gòu)。在某些情況下，優(yōu)化的工藝參數(shù)可以通過(guò)將更多的等軸微觀結(jié)構(gòu)賦予制造零件來(lái)減少各向異性，如下文所述。

然而，在大多數(shù)情況下，需要進(jìn)行后處理熱處理以改善準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能。這種處理通常會(huì)降低強(qiáng)度，但增加延展性；在大多數(shù)情況下，產(chǎn)生的強(qiáng)度-延性組合仍然符合標(biāo)準(zhǔn)化要求，例如，在Ti6Al4V中。熱處理通常會(huì)降低各向異性。然而，由于AM合金固有的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，通常仍存在一定程度的各向異性。以下總結(jié)了使用AM技術(shù)生產(chǎn)的特定合金系統(tǒng)拉伸性能的不同特征。

5.1. 鈦合金

表1概述了AM Ti6Al4V的選定拉伸性能。為了便于比較，還列出了鍛造Ti6Al4V的性能。從中可以看出，雖然AM合金可以達(dá)到甚至超過(guò)ASTM規(guī)范的YS和UTS，但EF通常較低。

表1 通過(guò)不同AM工藝和熱處理?xiàng)l件生產(chǎn)的Ti6Al4V的拉伸性能。

Xu等人報(bào)告說(shuō)，通過(guò)仔細(xì)調(diào)整LB-PBF參數(shù)，如層厚度和體積能量，可以通過(guò)α'原位分解的方式控制成型過(guò)程中的溫度循環(huán)，從而形成更有利的高強(qiáng)度-高延性組合。LB-DED合金具有較低的YS和UTS(∼ 960和∼1100 MPa），由于冷卻速率較低，EF在10%到18%之間。EB-PBF工藝產(chǎn)生的合金的YS和UTS甚至更低(∼ 880和∼ 960 MPa），但由于在此過(guò)程中使用了加熱構(gòu)建平臺(tái)，EF提高了9%到16%。

與LB-PBF相比，使用LB-DED和EB-PBF工藝生產(chǎn)的AB零件的延展性更好，因?yàn)槠渚哂写只�和層狀α結(jié)構(gòu)（在β基體中）。這是由于EB-PBF中構(gòu)建平臺(tái)的加熱和LB-DED中相對(duì)較慢的冷卻速度導(dǎo)致的原位回火。然而，Choi等人報(bào)告的延展性低至2.7%，這可能是由于LB-DED中的氧污染，因?yàn)殡y以控制該過(guò)程中的環(huán)境條件。眾所周知，鈦吸氧是提高其強(qiáng)度和降低延展性的重要因素。因此，即使化學(xué)成分的這種變化很小，也可以使所報(bào)告的性質(zhì)中觀察到的差異合理化。這在采用構(gòu)建平臺(tái)加熱的LB-PBF過(guò)程中很明顯。

Ta0°俯視圖的LOM和EBSD圖像。（a） LOM圖像，顯示EBSD逆極圖圖像（b）和（c）的位置。（d）（c）的點(diǎn)到點(diǎn)圖像質(zhì)量和方向錯(cuò)誤區(qū)域之間的旋轉(zhuǎn)角度（頂部）。

在使用本綜述中考慮的AM技術(shù)加工的所有合金中，拉伸性能的各向異性（不同程度）都存在。各向異性在EF中最為顯著。例如，通常在水平方向觀察到較低的EF（即，在X或Y方向加載的試樣）。這歸因于Ti6Al4V中的柱狀PBG結(jié)構(gòu)或細(xì)長(zhǎng)晶粒形態(tài)。粉末層厚度和填充策略的適當(dāng)組合可以產(chǎn)生更等軸的PBG結(jié)構(gòu)，從而減少各向異性并提高延展性。AB Ti6Al4V的失效模式主要為晶間，Kumar等人報(bào)告了脆性小平面和韌性撕裂斷裂模式。最近，Ter Haar和Becker認(rèn)為L(zhǎng)B-PBF合金中的各向異性是由占主導(dǎo)地位的α'微觀織構(gòu)引起的。他們使用EBSD和斷口分析進(jìn)行的研究表明，α'板條優(yōu)先沿著最大剪應(yīng)力軌跡剪切，塑性流動(dòng)位于PBG內(nèi)。占主導(dǎo)地位的∼ 因此，柱狀PBG結(jié)構(gòu)內(nèi)的45°習(xí)慣面控制各向異性，因此ZX平面內(nèi)的PBG具有更大的微紋理區(qū)域，促進(jìn)滑動(dòng)，從而提高延展性。

熱處理導(dǎo)致細(xì)α'或α在β基體中轉(zhuǎn)變?yōu)榇只�和層狀α，以形成�?lèi)似于通過(guò)EB-PBF工藝或傳統(tǒng)制造路線獲得的α+β結(jié)構(gòu)。這些微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致YS（和UTS）減少，EF改善。然而，高溫下的顯著晶粒生長(zhǎng)可以將YS降低到715 MPa，這遠(yuǎn)低于鍛造合金。在適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅琇B-PBF和EB-PBF之間可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的YS和UTS值。然而，LB-PBF Ti6Al4V的延展性通常低于鍛造和鑄造合金。在LB-PBF-Ti6Al4V中，通過(guò)雙重?zé)崽幚砜梢垣@得由等軸初生α相和層狀二次α+β結(jié)構(gòu)組成的雙峰組織；該合金的EF顯著提高至16–20%。

來(lái)源：Fracture and fatigue in additively manufactured metals, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

參考文獻(xiàn)：D.D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe, Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms,Int. Mater. Rev., 57 (2012), pp. 133-164, 10.1179/1743280411Y.0000000014