增材制造金屬的斷裂和疲勞（4）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀本文對AM合金中結構-性能相關性的當前理解進行了全面回顧。本文為第四部分。
7.1. 穩(wěn)態(tài)FCG特性
大多數(shù)金屬和合金中疲勞裂紋擴展行為的狀態(tài)II使用廣泛使用的Paris關系描述。據(jù)了解，經(jīng)熱處理的AM合金的穩(wěn)態(tài)FCG行為通常與其鍛造或鑄造對應物相似。Becker等人對LB-PBF Ti6Al4V的研究表明，在低R（<0.3）下，高殘余應力導致高度可變的裂紋擴展行為，而在高R下則不明顯。這意味著在低R下，殘余應力的影響足以影響裂紋驅動力，從而影響FCG行為。由于已知殘余應力與打印機器、掃描策略、零件尺寸和方向有關，AB狀態(tài)下AM合金的FCG行為在不同的機器和設置上可能會有所不同。

已建成AM 17-4 PH SS樣品在（a）矢狀面、（b）縱向和（c）橫向的EBSD晶粒結構和相分布圖。

雖然AM鋼（包括316L和18Ni300級）的整體FCG行為與鍛造鋼相似，但正如Riemer等人所報道的，在AB和SR條件下，LB-PBF 316L可能與方向有關。這種行為歸因于微觀結構中存在柱狀細胞，當裂紋前緣平行于柱狀結構時，會增強裂紋路徑的彎曲度，進而降低疲勞裂紋擴展速率。熱等靜壓后，這種各向異性不太明顯，導致更等軸的微觀結構。這表明，如Olivier等人所述，更優(yōu)化的工藝參數(shù)可以減少FCG行為中的各向異性。

類似地，柱狀細胞結構可導致界面減弱，例如，在沉淀硬化狀態(tài)下的LB-PBF 17-4 PH中突出顯示。當缺口垂直于構建方向時（圖12），裂紋最初以模式I擴展，然后轉變?yōu)槟Ｊ絀I。這種行為表明裂紋傾向于沿柱狀晶界擴展。沿細長晶界存在δ鐵素體，形成弱化界面，被認為是裂紋路徑中觀察到偏差的主要原因。

圖12 （a）經(jīng)過沉淀硬化熱處理的17-4PH鋼的裂紋路徑。位置1和2顯示（b）1處的微觀結構，以及（c）2處的微觀結構。箭頭表示歸因于δ鐵素體的剪切帶，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，該剪切帶加速裂紋擴展。

細觀結構對AM合金FCG行為的重要作用在Al-Si合金中最為明顯，其熔池邊界的特征是從細胞樹枝狀微觀結構特征過渡到粗胞樹枝狀微觀結構特征。此外，每個熔池內(nèi)的定向凝固導致具有〈100〉織構的胞狀凝固結構；立方材料中最有利的生長方向。裂紋擴展相對于激光軌跡的相對方向是決定FCG速率的重要因素，導致特定方向的裂紋路徑輪廓，如圖13所示。同樣，LB-PBF Ti6Al4V中的柱狀PBG結構與取向相關的FCG行為有關。

圖13 掃描電子顯微圖顯示了LB-PBF AlSi12在（a）Z-X和（b）X-Z方向上沿激光軌跡的斷裂面。

7.2. 近閾值FCG特性

對合金微觀結構高度敏感的近閾值FCG行為取決于與裂紋幾何形狀（裂紋偏轉或分支）、裂紋尖端屏蔽（相變、塑性或殘余應力）和環(huán)境誘導效應相關的裂紋閉合機制引起的加載條件。裂紋閉合和FCG之間的相互作用以接觸裂紋面為支點，在每個加載循環(huán)中吸收一部分載荷。因此，局部降低驅動力。

與微觀結構相對較粗的鍛造或鑄造工藝相比，許多AM工藝（尤其是AB狀態(tài)）固有的精細微觀結構導致FCG閾值相對較低。值得注意的是，粗糙度誘導的閉合效應與AM生產(chǎn)金屬中常見的細觀結構有關，例如Ti6Al4V中由于AlSi10Mg和Al12Si合金中的柱狀PBG結構或熔池結構。近閾值行為的改善直接影響材料對缺陷和表面粗糙度的敏感性，從而影響疲勞壽命。

7.2.1. 鈦合金

在AB條件下，LB-PBF Ti6Al4V具有相對較低的∆Kth，類似于焊接材料。在AB態(tài)合金中，近閾值FCG行為的各向異性最為明顯。Becker等人認為各向異性是由形態(tài)結構引起的。這導致與在X-Z和X-Y平面上獲得的斷裂面相比，在Z-X方向上的穿晶斷裂面與沿晶斷裂面的比率不同。因此，所需的裂紋驅動力在裂紋面之間會有所不同。這與Xu等人的觀察結果一致，他們比較了X-Z和Z-X方向的斷裂形態(tài)。類似地，Kumar等人表明，在LB-PBF Ti6Al4V中，PBG結構對近閾值區(qū)的FCG行為產(chǎn)生直接影響；沿板條邊界和沿晶界α（熱處理后）的β相觀察到裂紋偏轉。這種偏轉顯著降低了I型裂紋驅動力，這可能導致阻止裂紋完全擴展。當比較相對于柱狀PBG結構的開裂方向時，這一點尤其明顯，如圖14所示。

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

裂紋偏轉水平也具有方向特異性，主要是由于主要板條形態(tài)的影響，其取決于PBG結構。沿Z-X和X-Z方向擴展的裂紋在其前方遇到等軸光子晶體結構，而具有X-Y方向的裂紋則經(jīng)歷拉長。凈效應將是裂紋尾跡中不同程度的微凸體，導致粗糙度引起的閉合效應的差異。

7.2.2. 鋼材

研究了316L、17-4 PH和18Ni300鋼等AM鋼的疲勞裂紋擴展行為。Riemer等人報告了方向依賴性∆LB-PBF 316L在AB和SR條件下的Kth，并報告了略低的閾值（9.1 MPa√m）在X-Z方向與在Z-X方向相比（9.9 MPa√m）。這種差異歸因于裂紋經(jīng)歷的曲折性；沿柱狀晶粒（X-Z）的裂紋擴展導致光滑、不太曲折的裂紋路徑，而沿Z-X方向的裂紋擴展導致更曲折的裂紋路徑，從而導致斷裂模式混合性，并因此降低∆Kth。通過熱等靜壓獲得的等軸晶粒結構導致各向同性裂紋擴展特性，與鍛造316L相當。

BJP（頂行）和SLM（底行）樣品的波長色散光譜（WDS）分析顯示（a，d）Cr（b，e）Ni和（c，f）Mo在鐵基體中的分布。注意，在BJP試樣中，Cr和Mo在晶界處偏析，Ni耗盡。

與LB-PBF 316L不同，18Ni300似乎沒有表現(xiàn)出任何明顯的各向異性。Suryawanshi等人將他們在LB-PBF 18Ni300中觀察到的各向異性的缺乏歸因于缺乏明顯的晶體織構，并且介觀結構對強度的作用可以忽略不計。值得注意的是，裂縫彎曲的規(guī)模相當�。涣鸭y偏轉在長度尺度上與X-Z方向約0.5µm的凝固胞尺寸相似。優(yōu)先定向的細胞結構和介觀結構可能會導致閉合效應的差異。

與LB-PBF材料相比，BJP 316L具有更好的近閾值FCG性能。這是因為BJP工藝產(chǎn)生的微觀結構特征在區(qū)域I中包含豐富的FCG有效勢壘，例如退火孿晶界，錯取向為60°，δ-鐵素體相，以及大角度晶界。相反，在LB-PBF材料中，由于存在精細的凝固胞狀結構，塑性變形很容易通過位錯交叉滑移來輔助。此外，由于50%的柱狀晶界中的取向錯誤小于5°，LB-PBF微觀結構在阻止疲勞裂紋擴展方面效果較差。這與相對較小的缺陷尺寸幾何結構一起顯著改善了BJP 316L的無缺口疲勞性能。

使用EBSD獲得的代表性圖像；（a）從BJP試樣獲得的IPF圖，該圖顯示了晶粒的取向分布；（b）相圖，該圖顯示了γ–奧氏體基體（綠色）中δ–鐵素體（紅色）相的均勻分布。（b）中的藍線表明存在<111>60°退火孿晶界。（c） CM樣本的IPF圖。（d） IPF地圖的圖例。

7.2.3. 鎳基高溫合金

Ganesh等人研究了LB-DED Inconel 625的FCG行為，發(fā)現(xiàn)在較低的應力強度范圍下，F(xiàn)CG行為明顯低于其鍛造的同類，而在m 為~ 3.2的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，則沒有觀察到差異。近閾值FCG發(fā)生在宏觀裂紋擴展方向的柱狀面片上。這些合金的一個顯著特征是，經(jīng)過非最佳熱處理后，細小的非平衡Laves顆�？梢粤粼谥�晶間區(qū)域。這些區(qū)域會成為相對較弱的部位，在拉伸試驗中引發(fā)斷裂，并可能促進近閾值區(qū)域的FCG。

Konečná等人報道稱，與變形合金相比，LB-PBF Inconel 718在近閾值區(qū)域的FCG電阻較低，這歸因于硼含量低、微觀組織較細和殘余應力。先前的研究表明，硼的含量可以通過降低氧的變質(zhì)效應和增加裂紋尖端位錯運動的阻力來增強晶界內(nèi)聚力。

IN 718中的典型斷裂面在650°C下疲勞：（a）12 ppm B，（B）29 ppm B，（C）60 ppm B和（d）100 ppm B。

7.2.4. Al合金

AM AlSi12和AlSi10Mg合金在AB狀態(tài)下的實測值ΔKth在1 ~ 1.3 MPa√m之間。與LB-PBF合相比，鑄態(tài)合金的m值較高，這是由于鑄態(tài)合金組織中存在明顯較大的Si枝晶，其在rp內(nèi)的斷裂和脫鍵增加了每加載周期的裂紋速度。雖然在LB-PBF合金中也觀察到Si枝晶，但鑄態(tài)合金表現(xiàn)為Al和Si的共晶組織以及彌散的初生α-Al相具有亞共晶成分的特征。此外，LB-PBF合金具有更精細的組織。Suryawanshi等人認為，細觀結構產(chǎn)生的彎曲導致粗糙度導致裂紋閉合，從而降低裂紋驅動力和FCG速率。雖然LB-PBF AlSi12表現(xiàn)出較低的∆Kth，但其FCG速率也較慢，斷裂韌性顯著增加。

（a）砷合金的典型微觀結構。這些微結構中的相位對比度為硅灰色和鋁白色。（b）在AS合金的BD-TD平面上獲得的高倍SEM圖像，顯示了每個激光熔池內(nèi)的胞狀凝固。圖案填充重疊區(qū)域用1標記，區(qū)域2顯示這些重疊之外的Si相的粗化。相位對比度為硅白色和鋁灰色。（c）在AS試樣的BD-TD平面上獲得的反極圖。黑色實線表示一些熔池邊界。（d） HS合金的高倍SEM圖像（從BD-TD平面捕獲），顯示了硅顆粒的均勻分布。

8、無缺口疲勞

AM工藝相關屬性對AM合金的高周疲勞（HCF）性能尤其不利。低HCF強度通常歸因于高表面粗糙度；表面的微凸體作為疲勞裂紋萌生點。表面粗糙度和孔隙度在控制AM零件的整體疲勞壽命方面起著主導作用。雖然殘余應力也可能影響接近閾值的FCG但其影響不太明顯。材料的微觀結構施加的主導和間接影響相對較小。然而，它會影響疲勞裂紋萌生的潛伏期，這對HCF壽命特別重要。

8.1. Ti6Al4V

在AB條件下，LB-PBF Ti6Al4V的HCF強度明顯低于鍛造合金（500–650 MPa）。改善表面光潔度可顯著提高合金的HCF強度（200–350 MPa）。Gong等人報告，通過提高密度，LB-PBF和EB-PBF Ti6Al4V分別從45 MPa提高到180 MPa和50 MPa提高到270 MPa。即使零件受到SR，也未觀察到HCF行為的明顯改善，這表明殘余應力在確定HCF強度方面不起關鍵作用。

熱等靜壓和噴丸處理分別通過閉合體積和表面附近的缺陷，顯著提高了HCF強度。然而，如果高表面粗糙度保持不變，則HIP的影響有限。通過噴丸處理，表面粗糙度降低，疲勞強度高達575至610 MPa，與鍛造合金的HCF強度相當。噴丸處理的優(yōu)點是在表面附近引入殘余壓應力，降低表面粗糙度敏感性。

在AB狀態(tài)下，在具有最高密度的機加工和拋光試樣上獲得的HCF強度仍然低于鍛造合金，突出了微觀結構的作用。AN通過修改微觀結構來提高固有缺陷容限來提高疲勞性能，這與接近閾值的FCG率直接相關。

Kumar和Ramamurty對四種不同的LB-PBF Ti6Al4V不同的層厚和掃描旋轉組合制備的缺陷的尺寸、形狀和分布及其對HCF行為的影響進行了詳細的分析，以研究缺陷特征和微觀結構對HCF行為的影響。在AB、熱處理和噴丸(SP)條件下進行了RBF試驗。X射線斷層掃描被用來表征合金中缺陷的大小、形狀和分布。他們的結果顯示了使用不同工藝參數(shù)組合的合金的HCF強度之間的顯著差異(圖15)。

圖15 （a）基于El-Haddad公式的北川高橋圖，適用于在AB和熱處理條件下以t-а、30µm-90°和60µm-67°生產(chǎn)的試樣。臨界缺陷尺寸ac隨應力幅值σa的變化與缺陷尺寸一起繪制。（b）在t-а、30µm-90°和60µm-67°下生產(chǎn)的試樣中缺陷尺寸的累積概率分布。

缺陷尺寸和分布的工藝相關屬性以及表面粗糙度與微觀結構相關的HCF強度∆Kth之間的關系對于AM零件在承載應用中的廣泛采用至關重要，因為它可以用于預測疲勞壽命。

8.2. 鋼

關于使用EB-PBF和DED工藝生產(chǎn)的鋼的HCF強度的可用文獻有限，迄今為止報告的大部分工作都是關于使用LB-PBF工藝制造的合金。當通過AM生產(chǎn)的316L和304L等奧氏體不銹鋼的LOF缺陷較大時，其HCF強度可低至100 MPa。降低孔隙率和表面粗糙度將HCF強度提高到200至250 MPa之間，這與傳統(tǒng)制造的晶粒尺寸相似的鋼的HCF強度相似。Wood等人觀察到SR對HCF強度幾乎沒有影響。然而，與Ti6Al4V一樣，噴丸處理可顯著提高HCF強度（20%-40%）。通常，304L的HCF強度高于316L。

Kumar等人比較了采用LB-PBF和BJP工藝制備的316L合金的疲勞抗力，發(fā)現(xiàn)LB-PBF合金的HCF強度僅為約100 MPa，而BJP合金的HCF強度為約250 MPa。值得注意的是，盡管與LB-PBF合金的- 2.3%孔隙率相比，BJP合金的孔隙率(介于3.7 - 5.6%之間)明顯更大，但與常規(guī)制造的合金相比，其HCF強度顯著更高。觀察到在內(nèi)應力集中點（如缺陷角）形核的疲勞裂紋在微觀結構特征（如大角度晶界、退火孿晶界和δ-鐵素體相）處停止（見圖16）。對于LB-PBF試樣，由凝固胞和柱狀晶粒組成的更精細的微觀結構意味著起始的疲勞裂紋（尺寸為300至400µm的LOF缺陷）不受阻礙地生長。

圖16 BJP 316L試樣的顯微照片顯示，在270 MPa的應力幅度σa下，疲勞試樣的標距長度中觀察到從裂紋的所有角落開始的小疲勞裂紋，在107個循環(huán)中存活。插圖中所示的EDS圖表明，其中一個角裂紋被基體中的δ–鐵素體阻止。

Nezhadfar等人測量了加工和拋光的17-4 PH鋼試樣的HCF強度∼ 400 MPa，不考慮老化條件。如果打印后表面狀況保持不變（即未進行加工和拋光），則HCF強度隨老化溫度的升高而增加，即H900為200 MPa，H1025和H1150處理為300 MPa。這表明，當存在缺陷時，過度老化更有利。

8.3. 鎳基高溫合金

迄今為止，在該合金系統(tǒng)上發(fā)表的大多數(shù)HCF研究都集中在鉻鎳鐵合金718上，這也是用AM探索的最流行的鎳基高溫合金變體。AB狀態(tài)下的低HCF強度為150–200 MPa（AXF，R=0.1），與鍛造對應物的450 MPa相比，通常歸因于高表面粗糙度和近表面缺陷。

很少有證據(jù)表明AM-Inconel合金的微觀結構屬性，包括Laves和δ相的存在，以及HCF強度。由于晶體織構較弱，晶粒尺寸、孔隙度、δ沉淀含量和晶界是可能決定疲勞強度的主要微觀結構特征。一方面，AM材料呈現(xiàn)出更細的晶粒結構，疲勞性能有望更好。然而，孔隙度和δ沉淀物的大量含量可能會克服這種積極影響。在某些情況下，疲勞失效是由于氧化物/碳化物夾雜引起的裂紋萌生。已知碳化物會在鍛造和鑄造合金中引發(fā)疲勞裂紋。它們的存在可能源于粉末本身，而不是LB-PBF過程。這些類型的夾雜物很脆，易于裂紋萌生，類似于孔隙。

在從第二層到最后一層的構建平面內(nèi)觀察的基質(zhì)和致密區(qū)的TEM顯微照片。

8.4. 鋁合金

在AlSi12和AlSi10Mg合金中觀察到的一個有趣的現(xiàn)象是SR熱處理的影響，它增加了整體孔隙和缺陷尺寸。在熱處理過程中，AM-AlSi12和AlSi10Mg合金中Si顆粒的粗化及其數(shù)量的減少取決于熱處理溫度。

Todd等人報道了AB條件下，構建方向對LB-PBF AlSi10Mg的HCF強度的影響可以忽略不計，即X方向和Z方向構建的試樣分別為48和52 MPa(加工和拋光導致HCF強度增加了50%)。Naor等人研究了機械拋光前后SR AlSi10Mg噴丸的效果:拋光試樣的HCF強度約為110 MPa，略高于噴丸試樣的HCF強度約為100 MPa。AB表面光潔度可使HCF強度達到75 MPa。通過噴丸和拋光(電化學和機械)處理的樣品的HCF強度達到了約105 MPa。盡管噴丸處理后存在殘余壓應力(這應該會顯著降低裂紋萌生的可能性)，但表面剩余的粗糙面仍然導致HCF強度的顯著降低。

SLM AlSi10Mg試樣的微觀結構。水平建造（a和b），垂直于建造平面剖切；垂直建造（c和d），與建造平面平行剖切。

9 結語

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。為了實現(xiàn)這一潛力，使AM合金能夠成功地應用于工業(yè)實踐，必須深入了解加工微觀結構和機械性能。AM固有的其他特征，如細觀結構、孔隙度、殘余應力，以及它們之間復雜的相互作用，使這一點變得非常復雜。雖然已經(jīng)在AM的制造方面以及微觀結構和拉伸性能的評估方面進行了大量的研究，但對斷裂韌性和疲勞性能的研究相對較少。由于這些性能對于確保AM零件的結構完整性（以及認證）至關重要，因此，更多關注AM合金的疲勞和斷裂對于理解這些性能是如何由上述特征控制的至關重要。

1，雖然延展性是一個重要的特性，通常決定合金在工程實踐中的適用性，但在AM合金中，它可能不是一個非常重要的特性。這是因為凈形狀的部件是直接制造的，不需要進一步的“二次機械加工”，否則，合金的延展性將成為一個重要因素。由于斷裂韌性（韌性在大多數(shù)傳統(tǒng)制造的合金中作為代理的關鍵性能）可以通過細觀結構設計來增強，因此最好直接關注斷裂韌性的評估，以及如何以最佳方式進一步優(yōu)化強韌性組合。

2，在某些情況下，基于激光工藝的快速凝固條件誘導了亞穩(wěn)和精細微觀結構特征，合金元素的固溶性增加，而構建策略賦予了細觀結構特征。前者可以增強強度，后者可以增強韌性。AM為設計具有增強強度-韌性組合的合金提供的這些額外“自由度”尚未得到充分利用。

3，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孔隙。雖然后加工處理（如熱等靜壓）可以顯著減少（甚至消除）氣孔和缺乏熔合缺陷，但它們抵消了AM在一步生產(chǎn)最終零件的能力方面的獨特優(yōu)勢。有鑒于此，似乎對采用AM制造的部件采用“損傷容限設計”理念是確保結構完整性和可靠性的最佳方法。在這種方法中，缺陷的存在被視為理所當然，這使得微觀和細觀結構對近閾值疲勞裂紋擴展和裂紋閉合行為的作用變得重要。為此，必須詳細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鍵作用，因此需要對其進行詳細描述。

4，如果使用環(huán)境富氫且具有腐蝕性，則可能對AM合金的結構完整性產(chǎn)生重大影響，因為亞穩(wěn)相、細觀結構、孔隙率和其固有的殘余應力可能會降低性能。因此，需要對使用AM生產(chǎn)的合金的應力腐蝕開裂和氫脆等方面進行研究，這些方面迄今幾乎沒有受到任何關注。

5，雖然在模擬AM過程本身和微觀結構發(fā)展方面仍在做出相當大的努力，但基于力學的AM合金結構斷裂/疲勞性能關系建模仍有待研究。通過這些努力獲得的見解在裁剪加工條件以增強損傷容限方面特別有用，例如微調(diào)細觀結構以增強抗裂性。

目前，阻礙金屬AM零件在工業(yè)中廣泛接受的一個主要障礙是微觀結構的空間變化、高殘余應力、表面光潔度和缺陷的存在，這些缺陷由原料、制造和機器間的可變性復合而成。透徹了解工藝結構（包括屬性）-機械性能連接將有助于深入了解其中哪些是關鍵的（如果有的話），從而更容易在確保可靠性的情況下集成AM零件。

來源：Fracture and fatigue in additively manufactured metals, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

參考文獻：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