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： 增材制造技術前沿

此前，西南交通大學在增材材料疲勞性能評價方向取得重要進展，并在國際疲勞領域頂級期刊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”的學術論文。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，英國皇家科學院和皇家工程院兩院院士、中國科學院外籍院士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）作為應用最為廣泛的增材制造（AM）技術之一，具有成形精度高、復雜構件適應性強等技術優(yōu)勢。鋁合金具有比強高、成本低、抗腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應用于航空航天、軌道交通、汽車等工業(yè)領域。隨著輕量化、一體化鋁合金零件的迫切需求，各種復雜形狀的鋁合金零件如帶有凸臺、薄壁以及復雜內腔等構件的制備已成為目前的發(fā)展趨勢，L-PBF技術有望為復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滯后。由于鋁合金粉末流動性差，以及激光反射率高、熱傳導性高等特性，在L-PBF成形過程中極易在內部產生未熔合、氣孔、裂紋等缺陷，嚴重降低其疲勞性能，是影響其發(fā)展和應用的重要原因之一。

與焊接存在局域缺陷相比，增材缺陷具有全域分布特點。由于缺陷的位置、尺寸、形貌、數量以及多個缺陷之間的相互作用關系不同，構件局部的應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)展和應用的重要原因之一。目前關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（如斷口觀測等），對于增材制造內部三維缺陷主導下的疲勞損傷失效行為欠缺準確表征，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系。

2. 缺陷容限評價——準確辨識和定量表征缺陷的幾何特征
對于增材制造鋁合金，合適的去應力熱處理可以消除大部分殘余應力，并有利于降低組織各向異性。在實際應用中，對承受疲勞載荷的部件往往需要對表面進行加工處理，以避免表面粗糙度對疲勞性能的影響。所以在經過熱處理和機加工后，增材制件內部缺陷則會成為控制其疲勞行為的主要因素。缺陷的存在對材料內部的應力狀態(tài)影響極大，導致應力集中，進而誘導裂紋萌生，降低疲勞性能。因此，獲取增材制件內部缺陷特征，構建缺陷、應力和疲勞壽命間的關系是缺陷容限評價的重要目標，因此如何準確辨識和定量表征缺陷的幾何特征成為缺陷容限評價的首要問題。

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

X射線斷層掃描技術（X-CT）在復雜制件損傷檢測方面的優(yōu)勢顯著，其可以在三維空間上實現(xiàn)材料內部缺陷及損傷的可視化，并準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支持，已成為當前材料失效機制研究的頂尖研究手段。此外，為定量表征材料內部缺陷對疲勞強度的影響，1976年日本學者Kitagawa和Takahashi將傳統(tǒng)的名義應力評價方法與線彈性斷裂力學（LEFM）理論相聯(lián)系，基于材料的疲勞極限Δσw與裂紋擴展擴展門檻值ΔKth，得到疲勞極限與裂紋尺寸的函數關系，即著名的Kitagawa-Takahashi（K-T）圖。Beretta等通過對比傳統(tǒng)加工材料和增材制造材料對缺陷的敏感性，發(fā)現(xiàn)K-T圖缺陷容限評定概念依然適用于增材制造部件。

沿構建方向加載的高周疲勞試樣與垂直于構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，裂紋擴展門檻值逐漸增大并逐漸達到長裂紋擴展門檻值；表面和近表面缺陷會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三維成像數據，利用極值統(tǒng)計方法估測不同尺寸下部件內的最大缺陷值，并結合K-T圖對增材制造材料進行疲勞性能評價，探討缺陷對疲勞極限的影響規(guī)律。基于上述實驗及理論方法，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、疲勞裂紋擴展門檻值等多種試驗手段深入系統(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系。

3. 無損、快速評估材料的疲勞性能
研究結果表明，不同取向L-PBF成形的AlSi10Mg合金試樣內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，可以有效表征缺陷的最大特征尺寸及形貌的各向異性。當缺陷的等效直徑大于160 μm時，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。疲勞實驗結果表明，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向試樣的疲勞數據分散性卻顯著高于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比；(d) 缺陷特征尺寸對疲勞性能的影響。

對疲勞斷口裂紋源缺陷進行表征和統(tǒng)計，結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，沿加載方向具有更大的投影面積，顯著降低了Z向試樣的疲勞強度。基于缺陷特征尺寸的極值統(tǒng)計方法和標準K-T圖，對不同取向試樣的疲勞極限進行預測，結果表明，對于Z向試樣的預測結果誤差在10%以內，而對于X向試樣的預測誤差較大，達到了30%左右，預測結果偏于保守�；�于以上研究內容，論文構建了增材制造三維缺陷特征與其各向異性疲勞性能的關系：首先通過X-CT對試樣內部缺陷進行三維精準表征，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)計方法對不同取向試樣內部的最大缺陷特征尺寸進行預測；最后結合修正的Kitagawa-Takahashi（K-T）圖對不同取向試樣的疲勞極限進行評估。

圖3：(a) 不同取向試樣內部缺陷特征尺寸的極值統(tǒng)計方法；(b) 不同取向試樣內部缺陷尺寸概率評估；(c) 不同取向試樣內部最大缺陷尺寸與試樣體積的關系；(d) 基于缺陷極值統(tǒng)計的疲勞性能概率評價K-T圖。

此研究加深了對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價方法，可無損、快速評估材料的疲勞性能，并可對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估提供了思路�？紤]到缺陷尺寸、形貌、位置等的綜合影響，該團隊應用大數據、機器學習等算法構建缺陷特征與疲勞強度和壽命之間的關系，進一步地，把材料成分和增材工藝作為輸入參數，建立更加準確的疲勞壽命模型。