西南交大采用X射線三維成像揭示3D打印鋁合金疲勞行為的各向異性

來源： 增材制造技術(shù)前沿

此前，西南交通大學(xué)在增材材料疲勞性能評(píng)價(jià)方向取得重要進(jìn)展，并在國際疲勞領(lǐng)域頂級(jí)期刊International Journal of Fatigue上發(fā)表題為“The effect of defect population on the anisotropic fatigue resistance of AlSi10Mg alloy fabricated by laser powder bed fusion”的學(xué)術(shù)論文。博士研究生吳正凱為論文的第一作者，吳圣川研究員為通訊作者，英國皇家科學(xué)院和皇家工程院兩院院士、中國科學(xué)院外籍院士Philip J. Withers為共同作者。

1. 3D打印材料疲勞壽命的分散性——最大缺陷分布不確定
激光粉末床熔融（L-PBF）作為應(yīng)用最為廣泛的增材制造（AM）技術(shù)之一，具有成形精度高、復(fù)雜構(gòu)件適應(yīng)性強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。鋁合金具有比強(qiáng)高、成本低、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。隨著輕量化、一體化鋁合金零件的迫切需求，各種復(fù)雜形狀的鋁合金零件如帶有凸臺(tái)、薄壁以及復(fù)雜內(nèi)腔等構(gòu)件的制備已成為目前的發(fā)展趨勢(shì)，L-PBF技術(shù)有望為復(fù)雜鋁合金零件提供一種新的快速制備方法。然而，相較于鈦合金、鎳基高溫合金等其他金屬而言，3D打印鋁合金的研究相對(duì)滯后。由于鋁合金粉末流動(dòng)性差，以及激光反射率高、熱傳導(dǎo)性高等特性，在L-PBF成形過程中極易在內(nèi)部產(chǎn)生未熔合、氣孔、裂紋等缺陷，嚴(yán)重降低其疲勞性能，是影響其發(fā)展和應(yīng)用的重要原因之一。

與焊接存在局域缺陷相比，增材缺陷具有全域分布特點(diǎn)。由于缺陷的位置、尺寸、形貌、數(shù)量以及多個(gè)缺陷之間的相互作用關(guān)系不同，構(gòu)件局部的應(yīng)力集中往往存在明顯的差異。Murakami指出，影響金屬材料疲勞壽命分散性的根本原因是最大缺陷分布的不確定性。此外，L-PBF成形還具有方向性，成形構(gòu)件在不同堆積方向的疲勞性能也具有顯著差異，是影響其發(fā)展和應(yīng)用的重要原因之一。目前關(guān)于增材鋁合金缺陷致疲勞斷裂的研究大多局限二維表征手段（如斷口觀測(cè)等），對(duì)于增材制造內(nèi)部三維缺陷主導(dǎo)下的疲勞損傷失效行為欠缺準(zhǔn)確表征，亟需建立增材制造三維缺陷特征與其各向異性疲勞性能的關(guān)系。

2. 缺陷容限評(píng)價(jià)——準(zhǔn)確辨識(shí)和定量表征缺陷的幾何特征
對(duì)于增材制造鋁合金，合適的去應(yīng)力熱處理可以消除大部分殘余應(yīng)力，并有利于降低組織各向異性。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)承受疲勞載荷的部件往往需要對(duì)表面進(jìn)行加工處理，以避免表面粗糙度對(duì)疲勞性能的影響。所以在經(jīng)過熱處理和機(jī)加工后，增材制件內(nèi)部缺陷則會(huì)成為控制其疲勞行為的主要因素。缺陷的存在對(duì)材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)影響極大，導(dǎo)致應(yīng)力集中，進(jìn)而誘導(dǎo)裂紋萌生，降低疲勞性能。因此，獲取增材制件內(nèi)部缺陷特征，構(gòu)建缺陷、應(yīng)力和疲勞壽命間的關(guān)系是缺陷容限評(píng)價(jià)的重要目標(biāo)，因此如何準(zhǔn)確辨識(shí)和定量表征缺陷的幾何特征成為缺陷容限評(píng)價(jià)的首要問題。

圖 1：(a)L-PBF工藝及取樣方向示意圖；(b)不同取向試樣內(nèi)部缺陷三維成像結(jié)果；(c)缺陷等效橢球示意圖；(d)不同取向試樣內(nèi)部缺陷尺寸與角度關(guān)系圖。

X射線斷層掃描技術(shù)（X-CT）在復(fù)雜制件損傷檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)顯著，其可以在三維空間上實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷及損傷的可視化，并準(zhǔn)確給出缺陷的空間尺寸、形貌和分布特征，為缺陷以及裂紋演變提供有效的技術(shù)支持，已成為當(dāng)前材料失效機(jī)制研究的頂尖研究手段。此外，為定量表征材料內(nèi)部缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，1976年日本學(xué)者Kitagawa和Takahashi將傳統(tǒng)的名義應(yīng)力評(píng)價(jià)方法與線彈性斷裂力學(xué)（LEFM）理論相聯(lián)系，基于材料的疲勞極限Δσw與裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展門檻值ΔKth，得到疲勞極限與裂紋尺寸的函數(shù)關(guān)系，即著名的Kitagawa-Takahashi（K-T）圖。Beretta等通過對(duì)比傳統(tǒng)加工材料和增材制造材料對(duì)缺陷的敏感性，發(fā)現(xiàn)K-T圖缺陷容限評(píng)定概念依然適用于增材制造部件。

沿構(gòu)建方向加載的高周疲勞試樣與垂直于構(gòu)建方向加載的高周疲勞試樣投影到平面上的所有缺陷

研究表明，隨著缺陷等效尺寸的增大，材料的疲勞極限逐漸降低，裂紋擴(kuò)展門檻值逐漸增大并逐漸達(dá)到長裂紋擴(kuò)展門檻值；表面和近表面缺陷會(huì)在很大程度上降低其疲勞性能，且疲勞失效和斷裂往往受表面最大缺陷處控制，因此可基于缺陷X-CT三維成像數(shù)據(jù)，利用極值統(tǒng)計(jì)方法估測(cè)不同尺寸下部件內(nèi)的最大缺陷值，并結(jié)合K-T圖對(duì)增材制造材料進(jìn)行疲勞性能評(píng)價(jià)，探討缺陷對(duì)疲勞極限的影響規(guī)律�；�于上述實(shí)驗(yàn)及理論方法，本論文綜合利用X射線三維成像（X-CT）、掃描電子顯微鏡（SEM）、單軸拉伸、高周疲勞、疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值等多種試驗(yàn)手段深入系統(tǒng)開展了L-PBF成形AlSi10Mg合金在垂直于堆積方向（X向）和平行于堆積方向（Z向）的三維缺陷特征、拉伸性能、疲勞壽命等方面研究，以探索增材制造三維缺陷與各向異性疲勞性能的關(guān)系。

3. 無損、快速評(píng)估材料的疲勞性能
研究結(jié)果表明，不同取向L-PBF成形的AlSi10Mg合金試樣內(nèi)部三維缺陷形貌具有顯著的各向異性，采用等效橢球模型表征具有扁平狀特征的缺陷，并取等效橢球的長半軸（a）與中半軸（b）所在平面的法向與加載方向的夾角（θ）作為缺陷的角度特征參數(shù)，可以有效表征缺陷的最大特征尺寸及形貌的各向異性。當(dāng)缺陷的等效直徑大于160 μm時(shí)，Z向試樣缺陷的特征角度趨向0 °，而X向試樣的特征角度趨向于90°，不同取向試樣表現(xiàn)出缺陷角度特征的顯著各向異性，也說明了缺陷三維形態(tài)具有顯著的各向異性。疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Z向試樣的疲勞極限為45 MPa，顯著低于X向試樣的疲勞極限（118 MPa），但X向試樣的疲勞數(shù)據(jù)分散性卻顯著高于Z向，疲勞性能各向異性極為顯著。

圖 2：(a) 缺陷特征尺寸和位置表征示意圖；(b) 不同取向試樣疲勞源缺陷表征；(c)不同取向試樣疲勞性能對(duì)比；(d) 缺陷特征尺寸對(duì)疲勞性能的影響。

對(duì)疲勞斷口裂紋源缺陷進(jìn)行表征和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明不同取向試樣的疲勞裂紋均從表面或近表面未熔合缺陷處萌生，尺寸較大的扁平狀未熔合缺陷主要分布在堆積層平面內(nèi)，沿加載方向具有更大的投影面積，顯著降低了Z向試樣的疲勞強(qiáng)度�；�于缺陷特征尺寸的極值統(tǒng)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)K-T圖，對(duì)不同取向試樣的疲勞極限進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，對(duì)于Z向試樣的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，而對(duì)于X向試樣的預(yù)測(cè)誤差較大，達(dá)到了30%左右，預(yù)測(cè)結(jié)果偏于保守。基于以上研究內(nèi)容，論文構(gòu)建了增材制造三維缺陷特征與其各向異性疲勞性能的關(guān)系：首先通過X-CT對(duì)試樣內(nèi)部缺陷進(jìn)行三維精準(zhǔn)表征，并將其等效為橢球，將其在投影面積的平方根（√area）作為缺陷特征尺寸；然后基于極值統(tǒng)計(jì)方法對(duì)不同取向試樣內(nèi)部的最大缺陷特征尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè)；最后結(jié)合修正的Kitagawa-Takahashi（K-T）圖對(duì)不同取向試樣的疲勞極限進(jìn)行評(píng)估。

圖3：(a) 不同取向試樣內(nèi)部缺陷特征尺寸的極值統(tǒng)計(jì)方法；(b) 不同取向試樣內(nèi)部缺陷尺寸概率評(píng)估；(c) 不同取向試樣內(nèi)部最大缺陷尺寸與試樣體積的關(guān)系；(d) 基于缺陷極值統(tǒng)計(jì)的疲勞性能概率評(píng)價(jià)K-T圖。

此研究加深了對(duì)三維缺陷致增材金屬疲勞行為的理解，提出了基于缺陷三維成像的增材金屬材料疲勞性能評(píng)價(jià)方法，可無損、快速評(píng)估材料的疲勞性能，并可對(duì)金屬增材制造提供必要的工藝反饋信息，為3D打印材料的抗疲勞評(píng)估提供了思路�？紤]到缺陷尺寸、形貌、位置等的綜合影響，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等算法構(gòu)建缺陷特征與疲勞強(qiáng)度和壽命之間的關(guān)系，進(jìn)一步地，把材料成分和增材工藝作為輸入?yún)��?shù)，建立更加準(zhǔn)確的疲勞壽命模型。