增材制造金屬的斷裂和疲勞（3）

來源：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。本文為第三部分。


5.2. 鋼材
在大多數(shù)情況下，性能通常達(dá)到或超過AB狀態(tài)下工業(yè)應(yīng)用所需的規(guī)定值。例如，LB-PBF 316L實(shí)現(xiàn)了的YS和UTS∼ 440和∼ 660 MPa，而鍛造316L的各自性能分別為170和485 MPa。類似地，LB-PBF 304L的YS和UTS分別為∼ 450和∼670 MPa。大多數(shù)調(diào)質(zhì)鋼的YS和UTS的顯著增加是由于其中的細(xì)凝固胞尺寸。重要的是，這些強(qiáng)度增強(qiáng)不會(huì)被EF的顯著降低所抵消，LB-PBF 316L和304L的報(bào)告值在35%到60%之間。Kumar等人[40]報(bào)告說，在BJP 316L中，在塑性變形的早期階段盛行的平面滑移和其他微觀結(jié)構(gòu)因素的獨(dú)特組合導(dǎo)致了小裂紋的停止，這些小裂紋在缺陷的拐角處形核，因此鋼的延展性對(duì)缺陷不敏感。

與鍛造鋼相比，沉淀硬化鋼17-4PH和18Ni300在AB狀態(tài)下相對(duì)較軟，因?yàn)榇蠖鄶?shù)AM工藝中普遍存在的快速凝固速度沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行沉淀。LB-PBF生產(chǎn)的18Ni300在非老化條件下顯示較低的YS和UTS(∼ 950和∼ 1150 MPa），盡管其微觀結(jié)構(gòu)更精細(xì)。觀察到殘余奧氏體和奧氏體回復(fù)會(huì)導(dǎo)致相變誘發(fā)塑性，從而導(dǎo)致異常加工硬化。在AG（有ST和無ST）后，UTS顯著增加（到∼ 2020 MPa），同時(shí)觀察到延性降低，如預(yù)期的那樣。

（a） Arcam A2XX EBM系統(tǒng)示意圖。（b）示意圖顯示了由于連續(xù)三層中的SEBM構(gòu)建樣本的層間交叉蛇形掃描策略而形成的熔體軌跡。掃描方向由紅色箭頭指示。

AM鋼拉伸性能的各向異性也常見，歸因于上述具有強(qiáng)織構(gòu)的柱狀微觀結(jié)構(gòu)。然而，這可以通過適當(dāng)?shù)臒崽幚韥砜朔�。例如，LB-PBF 316L需要大于1050°C的溶解溫度才能發(fā)生再結(jié)晶。

5.3. 鎳基高溫合金

AM-Ni基高溫合金的拉伸性能對(duì)合金在制造過程中和制造后經(jīng)歷的熱歷史高度敏感。因此，使用不同AM系統(tǒng)和熱處理溶液生產(chǎn)的合金的報(bào)告性能范圍廣泛。這是由于γ′和γ′的沉淀以及其中一些晶粒中沿晶界的針狀沉淀。在適當(dāng)?shù)腟T+AG處理后，獲得了更一致的性能。如前所述，鉻鎳鐵合金718需要在1050°C以上的溫度下緩慢加熱和浸泡，以便能夠溶解AM期間形成的亞穩(wěn)Laves相。這通過從富溶質(zhì)區(qū)域向γ基體的反向擴(kuò)散降低了鈮的微觀偏析程度。

由于高冷卻速率，采用直接AM技術(shù)生產(chǎn)的合金在AB狀態(tài)下往往具有精細(xì)的樹枝狀微觀結(jié)構(gòu)，因此，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的織構(gòu)，導(dǎo)致顯著的機(jī)械各向異性。然而，盡管定向凝固，但適當(dāng)?shù)墓に噮��?shù)組合可以減少各向異性。例如，通過使用點(diǎn)熱源填充策略（在線性熱源上），在Inconel 718中獲得了具有近似各向同性拉伸強(qiáng)度的等軸微觀結(jié)構(gòu)。然而，EF中的各向異性仍然存在。

EBSD分析描述了EBM Inconel 718內(nèi)的代表性紋理，使用（a）平行于構(gòu)建方向的傳統(tǒng)光柵掃描策略紋理的偽彩色逆極圖，（b）垂直于構(gòu)建方向的傳統(tǒng)光柵掃描策略紋理的偽彩色逆極圖，（c）與建筑平行的點(diǎn)熱源紋理的偽彩色反極圖。（d）點(diǎn)熱源紋理橫向于構(gòu)建方向的偽彩色逆極點(diǎn)圖，（e）與平行于構(gòu)建的點(diǎn)熱源紋理相關(guān)的極點(diǎn)圖，以及（f）與橫向于構(gòu)建的點(diǎn)熱源紋理相關(guān)的極點(diǎn)圖。注：插入中的偽彩色參考三角形。

5.4. 鋁合金

LB-PBF AlSi10Mg中出現(xiàn)的各向異性微觀結(jié)構(gòu)和晶體織構(gòu)導(dǎo)致了力學(xué)行為的各向異性。例如，AlSi12的構(gòu)向延性僅為橫向延性的一半，而其強(qiáng)度差異不顯著。由于工藝參數(shù)的變化導(dǎo)致晶粒尺寸、晶粒取向、胞晶形態(tài)和熔池排列的變化，導(dǎo)致UTS和EF具有較強(qiáng)的各向異性。Paul等人報(bào)道，沿構(gòu)建方向加載顯示出更明顯的應(yīng)變硬化，導(dǎo)致沿熔池邊界的過早破壞，拉伸應(yīng)變僅為~ 3.5%，而垂直于構(gòu)建方向加載的方向的破壞應(yīng)變?yōu)?-7%。沿構(gòu)建方向(Z)加載時(shí)，熔池邊界發(fā)生破壞，表明熔池細(xì)觀結(jié)構(gòu)界面減弱，胞狀結(jié)構(gòu)較粗，以拉伸為主。

結(jié)果表明，這種各向異性可以通過后續(xù)熱處理來減少。然而，這通常伴隨著強(qiáng)度的顯著損失；例如，LB-PBF AlSi12的YS在退火后降低至95 MPa。標(biāo)準(zhǔn)T6熱處理已被證明可以消除硅網(wǎng)絡(luò)。在隨后的時(shí)效過程中，原始細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)變粗，同時(shí)形成沉淀。前者抵消了后者的預(yù)期強(qiáng)化，因此產(chǎn)生了與AB狀態(tài)相同的YS。

6、斷裂韌性

材料的斷裂韌性（KIc）定義了材料對(duì)開裂的抵抗力，是確保結(jié)構(gòu)完整性和可靠性的基本屬性。在AM中，亞穩(wěn)微觀結(jié)構(gòu)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)、孔隙度和高殘余應(yīng)力的組合會(huì)對(duì)合金的抗斷裂能力產(chǎn)生不利影響。因此，AB零件的熱處理通常被要求賦予與傳統(tǒng)生產(chǎn)的合金相似的斷裂韌性。這使他們能夠滿足規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；例如，Ti6Al4V用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

廣義上，KIc取決于以下因素：裂紋尖端前塑性區(qū)（rp）的大小、裂紋尖端鈍化以及裂紋模式下的裂紋彎曲度或混合度。例如，較大的塑性區(qū)尺寸通常伴隨著裂紋尖端鈍化，導(dǎo)致大量增韌。類似地，由于剪切型（或模式II/III）斷裂促進(jìn)裂紋偏轉(zhuǎn)（來自模式I），裂紋模式混合性可導(dǎo)致韌性顯著增強(qiáng)。雖然塑性區(qū)形成和裂紋鈍化是內(nèi)在機(jī)制（可能導(dǎo)致強(qiáng)度和韌性之間的沖突；延展性的增加導(dǎo)致KIc的改善，但可能以YS和UTS為代價(jià)），但裂紋彎曲度是一種外在機(jī)制，可以在不影響強(qiáng)度的情況下增加韌性。在AM合金中觀察到了這種非本征增韌機(jī)制，其中裂紋彎曲度來自第3.1節(jié)中描述的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。這可能導(dǎo)致一些AM合金的KIc和抗裂性（“R曲線行為”）比其常規(guī)生產(chǎn)的對(duì)應(yīng)物大幅增加。因此，胞狀結(jié)構(gòu)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)都會(huì)顯著影響AM合金的斷裂韌性，需要同時(shí)考慮這兩種結(jié)構(gòu)。當(dāng)延展性增加斷裂韌性時(shí)，獨(dú)特的細(xì)觀結(jié)構(gòu)可以通過仔細(xì)的參數(shù)選擇來提高強(qiáng)度和韌性。

微觀結(jié)構(gòu)表征。（a） EBSD分析中長(zhǎng)徑比小于0.3的晶粒；（b）柱狀晶粒的尺寸分布（長(zhǎng)軸尺寸）；（c）細(xì)胞和晶粒取向分析；（d）從XZ平面獲取的熔池邊界附近的納米壓痕硬度變化（圖像表示熔池邊界和單個(gè)區(qū)域，用于一般解釋壓痕位置）。

在確定AM合金的斷裂韌性時(shí)，除了合金的微觀結(jié)構(gòu)外，還需要仔細(xì)考慮殘余應(yīng)力的作用以及缺陷的大小和分布。例如，Cain等人報(bào)告了LB-PBF Ti6Al4V的KIc中殘余應(yīng)力和各向異性之間的負(fù)相關(guān)。同樣，Seifi等人報(bào)告了EB-PBF Ti6Al4V的孔隙度和KIc之間的相關(guān)性。由于這些因素，AM合金在KIc中觀察到顯著的各向異性（在某些情況下是不均勻的）。雖然殘余應(yīng)力和缺陷分布的過程特定屬性可能不利于KIc，但細(xì)觀結(jié)構(gòu)可以顯著改善它們。在下文中，我們總結(jié)了AM合金的斷裂性能和特征，具體到每一系列合金。

6.1. 鈦合金

鍛造Ti6Al4V的典型KIc范圍為30至100 MPa√m、取決于材料微觀結(jié)構(gòu)。相比之下，AB LB-PBF Ti6Al4V的KIc可低至16至31 MPa√m、主要是因?yàn)榇嬖谌毕莺蜌堄鄳?yīng)力。在密度達(dá)到99.5%以上并進(jìn)行熱處理后，KIc提高了48至67 MPa√m。

熱處理后觀察到的斷裂韌性增強(qiáng)是由于形成了更具延展性的片狀α–β微觀結(jié)構(gòu)。KIc在具有層狀微觀結(jié)構(gòu)的α+β鈦合金中最高。與軋制Ti6Al4V不同，在軋制Ti6Al4V中，晶體學(xué)織構(gòu)可以誘導(dǎo)各向異性，AM合金中缺乏強(qiáng)烈的晶體學(xué)織構(gòu)表明，柱狀PBG結(jié)構(gòu)是觀察到的各向異性的原因。細(xì)觀柱狀PBG結(jié)構(gòu)有助于裂紋彎曲，其中PBG邊界充當(dāng)弱化界面。

（a） Ti64樣品的3D代表性微觀結(jié)構(gòu) μm層厚和90°掃描旋轉(zhuǎn)。（b）每個(gè)連續(xù)層之間90°的掃描旋轉(zhuǎn)及其對(duì)b和S平面中微觀結(jié)構(gòu)的影響的示意圖。（c） B面微觀結(jié)構(gòu)和（d）S面微觀結(jié)構(gòu)。（c）和（d）中的虛線用于“引導(dǎo)眼睛”。

在AB狀態(tài)下，使用EB-PBF生產(chǎn)的Ti6Al4V通常比其LB-PBF對(duì)應(yīng)物表現(xiàn)出更高的KIc，主要是因?yàn)槠渲写嬖讦?β層狀微觀結(jié)構(gòu)。熱等靜壓后平均KIc值的降低是由于α板條的雙重粗化，這降低了合金的強(qiáng)度[。Seifi等人還對(duì)EB-PBF Ti6Al4V中的缺陷進(jìn)行了表征，并觀察到缺陷尺寸與測(cè)量韌性之間的相關(guān)性；缺陷尺寸的變化歸因于材料的異質(zhì)性，該異質(zhì)性取決于建筑高度。與Kumar等人的發(fā)現(xiàn)類似，由于柱狀PBG結(jié)構(gòu)提供了一條容易的斷裂路徑，因此存在各向異性。

6.2. 鋼

與常規(guī)生產(chǎn)的316L (KIc在112 ~ 278 MPa√m之間)相比，AM合金的KIc更低。例如LB-PBF 316L的KIc范圍為63 ~ 87 MPa√m。這可能是由于缺陷、延性降低和變形誘導(dǎo)塑性(TRIP)的缺失所致。Kumar等人對(duì)后者進(jìn)行了說明，他們觀察到，在LB-PBF 304L中，只要試驗(yàn)溫度升高50℃(從TRIP被激活的室溫升高到TRIP不再被激活的75℃，變形機(jī)制以位錯(cuò)滑移和孿晶為主)，斷裂韌性就會(huì)大幅降低(約40%)，各向異性隨之增強(qiáng)(約16%)。

時(shí)效后LB-PBF 18Ni300合金的KIc (70-75 MPa√m)與常規(guī)合金相近。Yadollahi等人估計(jì)(根據(jù)FCG數(shù)據(jù))LB-PBF 17-4PH在H900條件下時(shí)效后的KIc為約70 MPa√m，據(jù)稱高于CM PH-17-4鋼在H900條件下的KIc 50 MPa√m，這可能是由于AM合金具有較高的延展性。關(guān)于AM鋼斷裂韌性的研究很少。關(guān)于AM特定特征(如凝固細(xì)胞、局部結(jié)晶織構(gòu)和細(xì)觀結(jié)構(gòu))對(duì)斷裂行為的影響的詳細(xì)研究還有待進(jìn)行。

6.3. 鎳基高溫合金

與鋼一樣，AM-Ni基高溫合金的斷裂韌性數(shù)據(jù)也不多。少數(shù)研究結(jié)果表明，與拉伸性能一樣，AM-Inconel合金的斷裂韌性強(qiáng)烈依賴于微觀結(jié)構(gòu)和由此經(jīng)歷的熱歷史。Puppala等人報(bào)告，使用CTOD技術(shù)估算的LB-DED鉻鎳鐵合金625的斷裂韌性接近其焊接對(duì)應(yīng)物，但低于鍛造對(duì)應(yīng)物。他們認(rèn)為，孔隙度顯著影響斷裂韌性，因?yàn)榭紫抖鹊脑黾訉?dǎo)致KIc顯著降低，伴隨著韌性斷裂模式向脆性斷裂模式轉(zhuǎn)變。在這里，AB條件下的低KIc歸因于γ基體中沒有γ′/γ′沉淀，而時(shí)效后的高韌性是通過γ′和γ′的沉淀強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)的。然而，由于粗Laves相和非均勻γ′′/γ′沉淀的存在，直接時(shí)效處理并不能改善KIC。因此，需要高ST和AG處理來實(shí)現(xiàn)與CM對(duì)應(yīng)物相當(dāng)?shù)腒Ic。如前所述，Laves相的溶解和Nb的均勻分布只能通過1050°C以上的溶解來實(shí)現(xiàn)，這也會(huì)導(dǎo)致等軸晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒生長(zhǎng)。

6.4. 鋁合金

AB狀態(tài)下LB-PBF鋁硅合金的熔池邊界處存在連續(xù)的枝晶間Si相網(wǎng)絡(luò)，這為裂紋擴(kuò)展提供了一條簡(jiǎn)單的路徑，因此促進(jìn)了廣泛的裂紋偏轉(zhuǎn)。因此，由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)引起的裂紋彎曲，這些合金中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌性產(chǎn)生了顯著且通常是積極的影響。在LB-PBF AlSi12中，Suryawanshi等人報(bào)告，KIc值比鑄造合金高2-4倍。Suryawanshi等人將強(qiáng)度的顯著提高歸因于微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化和固溶體中相對(duì)較高的Si。韌性的提高完全是由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)，細(xì)觀結(jié)構(gòu)通過熔體池邊界處的裂紋偏轉(zhuǎn)增強(qiáng)了裂紋的彎曲度。自然地，細(xì)觀結(jié)構(gòu)賦予韌性各向異性，構(gòu)建方向（Z）上的斷裂韌性更高，因?yàn)榱鸭y平面法線平行于構(gòu)建層，裂紋擴(kuò)展基本上發(fā)生在各個(gè)層之間。退火降低了這些合金的KIc，盡管以強(qiáng)度為代價(jià)提高了延展性。熔池邊界結(jié)構(gòu)（包括硅沉淀）的分解被認(rèn)為是裂紋擴(kuò)展阻力較低（即KIc較低）的原因。然而，熱處理材料的韌性仍然是鑄造合金的兩倍。

采用90°掃描策略制造的合金試件與采用67°掃描策略（25–31 MPa√m）制造的材料相比。這歸因于裂紋彎曲降低了斷裂韌性（19–27 MPa√m）；與67°材料中的隨機(jī)熔池排列相比，在采用90°掃描策略構(gòu)建的試樣中觀察到較少曲折的裂紋路徑，這導(dǎo)致形成兩個(gè)不同的熔池方向。跨熔池邊界的裂紋擴(kuò)展通過顆粒間和跨顆粒失效發(fā)生。沿拉長(zhǎng)的晶界更容易發(fā)生晶間破壞，裂紋垂直穿過熔池。當(dāng)裂紋以一定角度穿過熔池邊界時(shí)，穿晶失效更容易發(fā)生。此外，在裂紋偏轉(zhuǎn)比穿過熔池更有利的區(qū)域，觀察到單個(gè)熔池界面處的裂紋偏轉(zhuǎn)。Paul等人認(rèn)為，這表明跨熔池和沿熔池邊界的裂紋擴(kuò)展阻力存在差異。

關(guān)于測(cè)試方向的抗裂性曲線行為和斷裂韌性。R曲線依賴于（a）層厚度、（b）圖案填充間距、（c）掃描策略和（d）90SS樣本中的0°和45°方向。（e）直接比較各種測(cè)試條件下的R曲線。（實(shí)線表示C（T）-XZ樣品，裂紋擴(kuò)展平行于B.D。；虛線表示裂紋垂直于B.D.擴(kuò)展的C（T）-ZX樣品。；實(shí)心符號(hào)表示用于擬合R曲線的數(shù)據(jù)。）（f）所有建造條件的JIc值。

7.疲勞裂紋擴(kuò)展特性

了解疲勞裂紋擴(kuò)展（FCG）特性在安全關(guān)鍵應(yīng)用中特別重要。這允許在結(jié)構(gòu)完整性和可靠性評(píng)估中使用損傷容限設(shè)計(jì)方法，其中荷載波動(dòng)是不可避免的。由于AM固有幾種不同類型的缺陷，尤其是孔隙和粗糙表面光潔度，這兩種缺陷都對(duì)結(jié)構(gòu)部件的疲勞行為極為不利，因此了解這些缺陷對(duì)于AM金屬的壽命預(yù)測(cè)、零件認(rèn)證和廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。

金屬的FCG行為分為三種狀態(tài)：起始或接近閾值狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)或Paris狀態(tài)和快速斷裂狀態(tài)III。狀態(tài)III導(dǎo)致不穩(wěn)定、快速的裂紋擴(kuò)展，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)的變化敏感，并與合金的斷裂韌性直接相關(guān)。值得注意的是，細(xì)觀結(jié)構(gòu)的存在可能使AM合金的延展性和KIc不相關(guān)，如前所述。這意味著結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估需要深入了解與底層微觀和細(xì)觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的斷裂韌性特性，即需要工藝、取向和熱處理特定的斷裂韌性特性。相反，殘余應(yīng)力和孔隙度不會(huì)對(duì)快速斷裂狀態(tài)產(chǎn)生重大不利影響（除非其數(shù)量過大，這將使打印零件的應(yīng)用適用性變得毫無意義）。

狀態(tài)II導(dǎo)致裂紋的增量循環(huán)相關(guān)推進(jìn)，通過裂紋尖端的局部塑性變形可見，并且對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、載荷比（R）和零件幾何形狀的變化不太敏感。這是因?yàn)閞p的尺寸是特征微結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度尺度的幾倍。在接近閾值的區(qū)域I中，裂紋擴(kuò)展要么開始，要么減少，并由易受微觀結(jié)構(gòu)（rp尺寸和微觀結(jié)構(gòu)尺度相似）、R和環(huán)境影響的剪切機(jī)制控制。

對(duì)AM合金的FCG行為進(jìn)行了廣泛的研究�？偟膩碚f，AM合金的FCG性能與相應(yīng)鑄造或鍛造合金中觀察到的FCG性能相當(dāng)。然而，許多AM合金固有的精細(xì)AB微觀結(jié)構(gòu)與較低的FCG閾值有關(guān)。相反，粗糙度引起的閉合效應(yīng)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如LB-PBF Ti6Al4V中的柱狀PBG結(jié)構(gòu)或鋁合金中的熔池結(jié)構(gòu)。這意味著，在較低的情況下，外部因素（如裂紋表面微凸體與其他裂紋屏蔽機(jī)制之間的相互作用）會(huì)降低有效裂紋驅(qū)動(dòng)力，從而改善近閾值FCG行為。通常，當(dāng)R>0.5時(shí)，這些影響不太普遍，并且測(cè)量了固有閾值。在近閾值區(qū)，底層微觀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈影響意味著，通過熱處理和隨后的晶粒生長(zhǎng)，可以提高閾值，降低各向異性。

有鑒于此，我們首先總結(jié)了關(guān)于穩(wěn)態(tài)FCG特性（區(qū)域II）以及近閾值FCG特性（區(qū)域I）的FCG行為的共同特征。然后，我們強(qiáng)調(diào)了每種合金系統(tǒng)接近閾值行為的具體特征。斷裂韌性（狀態(tài)III）已在第6章中討論。

來源：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