選區(qū)激光熔化增材制造Ti6Al4V合金的疲勞極限預(yù)測(cè)方法

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

隨著近期增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，引發(fā)了缺陷下結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估問題。為定量評(píng)估增材制造Ti6Al4V合金試樣疲勞性能，該文以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，定義了與缺陷面積參數(shù)相關(guān)的等效裂紋尺寸，實(shí)現(xiàn)了該材料疲勞極限的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。具體而言，基于極值統(tǒng)計(jì)理論量化分析了材料中的最大缺陷面積參數(shù)分布，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了提出的方法的準(zhǔn)確性。

為量化缺陷對(duì)疲勞行為的影響，該研究基于缺陷面積參數(shù)估計(jì)增材制造Ti6Al4V合金的疲勞極限，并基于極值統(tǒng)計(jì)理論定義等效裂紋尺寸，圖1為試驗(yàn)測(cè)得斷口及裂紋形貌。具體而言，該等效裂紋尺寸可基于三個(gè)假設(shè)推導(dǎo)：（1）基于Sv和Rsm定義的周期性裂紋；（2）深度等于Sv的周向裂紋；（3）深度等于Sv的半圓裂紋。進(jìn)一步將上述假設(shè)與Atzori, Lazzarin和Meneghetti提出理論模型（ALM模型）相結(jié)合，即可建立其裂紋擴(kuò)展模型，其中材料參數(shù)基于Rigon和Meneghetti所提經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸烙?jì)。最后，該文將模型預(yù)測(cè)疲勞極限與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了所提模型的準(zhǔn)確性。

圖1 試樣斷面分析結(jié)果。(a-b)高應(yīng)力幅試樣斷裂面及裂紋放大圖；(c-d)高應(yīng)力幅試樣斷裂面及裂紋放大圖

表明形貌
具體而言，該文首先對(duì)比了基于原始數(shù)據(jù)與預(yù)處理數(shù)據(jù)求解的Sv,max，見圖2所示，結(jié)果表明數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)于Sv,max的影響可以忽略不計(jì)。根據(jù)求解的Sv,max，進(jìn)一步計(jì)算了增材制造Ti6Al4V合金的疲勞裂紋擴(kuò)展閾值，見圖3所示。由于等效裂紋尺寸為試樣標(biāo)距段表面積的最大估計(jì)值，因此其與臨界缺陷尺寸也具有較強(qiáng)的相關(guān)性，其中臨界缺陷可通過分析裂紋起裂處的斷口特征識(shí)別。由圖3a可見，周期性裂紋假設(shè)與ALM模型的耦合給出了非保守的預(yù)測(cè)結(jié)果，部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)較理論曲線偏離度較高。由圖3b可見，周向裂紋假設(shè)預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離較大，總體給出了偏保守的預(yù)測(cè)結(jié)果。由圖3c可見，基于半圓裂紋假設(shè)與ALM模型預(yù)測(cè)精度較高，預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，驗(yàn)證了半圓裂紋假設(shè)與ALM模型耦合的合理性。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

圖2 基于原始數(shù)據(jù)與預(yù)處理數(shù)據(jù)求解的Sv,max對(duì)比

圖3 三種裂紋假設(shè)下預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展閾值對(duì)比。(a) 周期裂紋；(b) 周向裂紋；(c) 半圓裂紋

結(jié)論及應(yīng)用前景

該文以斷裂力學(xué)方法為基礎(chǔ)，估算了增材制造Ti6Al4V合金的疲勞裂紋擴(kuò)展閾值，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。具體而言，通過結(jié)合ALM模型與三種等效缺陷尺寸假設(shè)（即周期性裂紋、周向裂紋與半圓裂紋），實(shí)現(xiàn)了增材制造材料缺陷特性表征與疲勞壽命預(yù)測(cè)。主要結(jié)論如下：

（1）以缺陷特性表征中的塊最大值法為抽樣準(zhǔn)則，量化了缺陷面積參數(shù)的最大極值分布，并將其與ALM模型相結(jié)合提出了增材制造材料疲勞極限分布預(yù)測(cè)模型；
（2）在三種裂紋假設(shè)中，半圓裂紋展現(xiàn)出最佳的預(yù)測(cè)效果，其預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展閾值曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高；
（3）將一維粗糙度剖面測(cè)量值轉(zhuǎn)化為等效二維面測(cè)量值的方法被證明是有效的，疲勞極限理論預(yù)測(cè)值僅比試驗(yàn)結(jié)果相差3.8%。