增材制造金屬合金的疲勞性能

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

土耳其伊斯坦布爾科技大學(xué)、加齊大學(xué)增材制造技術(shù)研究與應(yīng)用中心-EKTAM及美國德克薩斯A&M大學(xué)的研究人員綜述了增材制造金屬合金的疲勞性能。相關(guān)論文以“Fatigue performance in additively manufactured metal alloys”為題發(fā)表在《Progress in Additive Manufacturing》上。

本文綜述了增材制造（AM）金屬合金的疲勞特性，探討了影響其耐久性的關(guān)鍵因素和潛在的失效機(jī)制。此外，本文還研究了AM金屬在循環(huán)載荷下可能出現(xiàn)的各種疲勞機(jī)制，包括裂紋的萌生和擴(kuò)展以及斷裂。文章詳細(xì)研究了原料粉末特性、打印缺陷、微觀結(jié)構(gòu)、成型方向、表面光潔度、殘余應(yīng)力、樣品尺寸和結(jié)構(gòu)以及熱處理和熱后處理的后果的影響。評述的主要重點(diǎn)是粉末床熔融工藝，但也包括有關(guān)電弧增材制造和其他金屬增材制造工藝的相關(guān)論文。這項(xiàng)工作提供了對AM加工金屬合金中疲勞分析的基本難點(diǎn)和潛在優(yōu)勢的全面了解。它還系統(tǒng)地確定AM金屬合金疲勞性能的未來研究問題，差距，挑戰(zhàn)和有前景的未來方向。

圖1增材制造部件疲勞壽命的影響因素

圖2 SLM 17-4 PH SS與在H1050條件下鍛造17-4 PH SS在各種條件下的疲勞應(yīng)力壽命比較

圖3 AMed部件中存在的常見缺陷

圖4通過L-PBF制備的17-4 PH SS樣品的斷口圖顯示，在成型的樣品中，裂紋是從a球形孔和b微缺口產(chǎn)生的

圖5考慮孔隙大小影響的EBM Ti6Al4V疲勞壽命。(S-N曲線僅基于因孔隙而失效的部件)

圖6不同非圓形缺陷的有效尺寸，如a非圓形的內(nèi)部缺陷、b非圓形的表面缺陷、c與表面相互作用的非圓形的內(nèi)部缺陷、d與表面相互作用的兩個相鄰缺陷、e與表面接觸的傾斜缺陷，用虛線表示

圖7凝固速率和溫度梯度對凝固方式的影響

圖8 a：E-PBF和b：L-PBF制備的合金718樣品的顯微組織特征的SEM圖像

圖9 HIP和非HIP樣品在機(jī)加工和非機(jī)加工條件下的疲勞性能。

圖10表面條件和微型化對通過E-PBF生產(chǎn)的合金718 疲勞壽命的影響

圖11殘余應(yīng)力發(fā)展的機(jī)制

圖12影響增材制造零件殘余應(yīng)力的因素

圖13制造部件示意圖

圖14多尺度建�？蚣�

增材制造由于其相對于傳統(tǒng)制造工藝的巨大優(yōu)勢而備受關(guān)注。然而，使用這種方法生產(chǎn)關(guān)鍵部件仍處于早期階段。這部分是由于對AM金屬相對于傳統(tǒng)制造零件的疲勞行為的理解有限。這些部件在其使用壽命期間經(jīng)歷循環(huán)載荷，而增材制造金屬的疲勞性能仍然知之甚少。增材制造過程中產(chǎn)生的顯著特征包括缺陷的產(chǎn)生、殘余應(yīng)力、表面粗糙度和各向異性行為。以下是一些結(jié)論性意見：

1.制造過程中產(chǎn)生的缺陷，即孔隙率和LoF空隙，對AM加工金屬的疲勞行為有很大影響。這些缺陷的特征，包括其數(shù)量、方向、形狀、大小和位置，取決于多種因素，如工藝參數(shù)、成型方向、掃描策略和零件的結(jié)構(gòu)。這些缺陷對疲勞行為的影響取決于材料的延展性，而材料的延展性又受制于特定制造工藝和后續(xù)制造后處理所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)。

2.缺陷對HCF區(qū)域的影響更為明顯。在這些缺陷中，熔融不足的影響更為不利，因?yàn)槠湫螤畈灰?guī)則，會加劇應(yīng)力集中。球形夾帶氣體孔隙由于其結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中的程度較輕。通常情況下，缺陷集中在表面附近，由于局部應(yīng)力較大，這些缺陷對疲勞性能的影響更大。熱等靜壓是減少缺陷（尤其是LOF空隙）數(shù)量和大小的有效方法。采用極值統(tǒng)計(jì)法可以估算出最大的預(yù)期缺陷及其與疲勞壽命的關(guān)系。

3.L-PBF工藝的特點(diǎn)是快速凝固、高能量密度和高熱梯度，這導(dǎo)致出現(xiàn)大量殘余應(yīng)力和零件變形。拉伸殘余應(yīng)力對疲勞行為的不利影響是公認(rèn)的。然而，通過優(yōu)化層取向、采用合適的工藝參數(shù)和進(jìn)行制造后熱處理，這些殘余應(yīng)力可以得到緩解或大大減輕。通過仔細(xì)控制這些因素，可以最大限度地減少殘余應(yīng)力的存在，并提高AM部件的疲勞性能。

4.在竣工狀態(tài)下，AM零件的表面粗糙度通常高于傳統(tǒng)生產(chǎn)的零件。這種差異源于制造技術(shù)固有的重復(fù)性。造成表面粗糙度的因素有很多，包括制造工藝的參數(shù)和類型、零件的結(jié)構(gòu)、粉末的大小和方向。值得注意的是，與朝上的收縮表面相比，朝下朝向成型板的懸空表面往往表現(xiàn)出更高的表面粗糙度。

5.AM部件的疲勞裂紋主要來自坯件表面。因此，通過機(jī)加工或其他技術(shù)去除粗糙的外層，可以大大提高AM零件的疲勞性能。然而，考慮到AM的主要優(yōu)勢之一在于能夠制造復(fù)雜的凈結(jié)構(gòu)，對通過AM制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)加工可能會帶來挑戰(zhàn)，甚至是不可行的。因此，選擇合適的粉末特性以及優(yōu)化AM工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)對于獲得更光滑的表面光潔度至關(guān)重要，從而有助于提高疲勞性能。

6.部件結(jié)構(gòu)、尺寸和層間時間間隔的差異有可能改變制造部件所遇到的熱歷史，從而影響缺陷的形成、微觀結(jié)構(gòu)和隨后的機(jī)械性能。因此，具有不同結(jié)構(gòu)和尺寸的AM部件，即使使用類似的材料和工藝參數(shù)生產(chǎn)，也可能無法顯示出可比的疲勞性能。因此，從小規(guī)模AM樣品中獲得的數(shù)據(jù)可能無法全面反映按比例零件中觀察到的疲勞行為。因此，在評估AM部件的疲勞性能時，必須考慮尺寸和結(jié)構(gòu)變化的影響。

7.AM零件的疲勞性能會受到成型層取向的顯著影響，從而導(dǎo)致各向異性行為。這種各向異性主要?dú)w因于LoF缺陷的存在，這些缺陷通常垂直于成型方向。疲勞行為與加載方向和層取向之間的相對角度密切相關(guān)。與缺陷取向平行于加載方向的水平試樣相比，垂直制作的試樣通常表現(xiàn)出較短的疲勞壽命。值得注意的是，雖然加載方向和層取向之間的相對角度會影響微結(jié)構(gòu)的方向性，但缺陷的存在和取向在決定各向異性疲勞響應(yīng)方面發(fā)揮著更重要的作用。因此，了解和考慮層取向和缺陷特征的影響對于評估和優(yōu)化AM部件的疲勞性能至關(guān)重要。

8.在適當(dāng)?shù)臏囟群统掷m(xù)時間內(nèi)進(jìn)行退火處理可顯著提高AM部件的延展性。這些處理還有助于降低與缺陷相關(guān)的缺口敏感性，以及放松或消除殘余應(yīng)力。在某些情況下，它們還有助于最大限度地減少結(jié)構(gòu)各向異性。另一種增強(qiáng)抗疲勞性的有效熱機(jī)械處理方法是熱等靜壓（HIP）。熱等靜壓處理可減少氣孔和內(nèi)部空隙（包括LoF缺陷）的體積，從而降低其尖銳度并提高疲勞性能。經(jīng)過HIP處理的L-PBF Ti-6Al-4V試樣的實(shí)驗(yàn)疲勞數(shù)據(jù)表明，其性能與傳統(tǒng)鍛造材料相當(dāng)。然而，值得注意的是，HIP處理的顯著優(yōu)勢在后續(xù)加工后變得更加明顯，因?yàn)镠IP處理后的試樣表面粗糙，會繼續(xù)影響其疲勞壽命，尤其是在高循環(huán)疲勞(HCF)階段。因此，雖然HIP處理能提高抗疲勞性能，但仍應(yīng)考慮坯件表面狀況的影響，而且可能需要額外的后處理步驟來優(yōu)化AM部件的疲勞性能。

9.盡管多軸疲勞在設(shè)計(jì)考慮中具有重要意義，但對AM金屬多軸疲勞行為的了解仍然有限。有關(guān)AM材料多軸疲勞響應(yīng)的研究很少。研究表明，使用不同的L-PBF設(shè)備、不同的工藝參數(shù)或不同的熱處理工藝制作的試樣，會呈現(xiàn)出不同的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷群。因此，在承受多軸應(yīng)力時，這些變化會導(dǎo)致不同的失效模式。為了有效關(guān)聯(lián)在不同應(yīng)力狀態(tài)下獲得的多軸疲勞數(shù)據(jù)，需要一個適當(dāng)?shù)钠�勞失效�?biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮在不同AM條件下觀察到的特定失效模式。深入了解多軸疲勞行為和裂紋取向有助于確定最佳工藝參數(shù)和掃描策略。通過將內(nèi)部或表面缺陷和薄弱平面對準(zhǔn)抗疲勞性能最大化的方向，就有可能提高AM部件在多軸載荷條件下的整體疲勞性能。要全面了解AM金屬的多軸疲勞行為，并做出明智的設(shè)計(jì)和制造決策，就必須在這一領(lǐng)域開展進(jìn)一步的研究和分析。

10.全面了解AM部件中的PSPP對于確保生產(chǎn)出適合疲勞關(guān)鍵應(yīng)用的高質(zhì)量部件至關(guān)重要。然而，由于AM工藝的復(fù)雜性，這一目標(biāo)面臨著挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)鑒定和認(rèn)證過程既耗時又昂貴，而且零件尺寸、結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)或后處理?xiàng)l件的任何變化都會影響熱歷史，進(jìn)而影響零件的微觀結(jié)構(gòu)、缺陷分布、機(jī)械性能和整體性能。此外，由于缺乏專門針對AM的綜合標(biāo)準(zhǔn)，情況變得更加復(fù)雜。要應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，就必須開展廣泛的研究和合作，并制定強(qiáng)有力的指導(dǎo)方針，來考慮到AM中工藝、結(jié)構(gòu)、性能和性能之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系。

11.盡管已知表面粗糙度會對金屬AM部件的抗疲勞性產(chǎn)生不利影響，但對于哪種粗糙度參數(shù)能最有效地模擬這種影響仍未達(dá)成共識。這種認(rèn)識必須擴(kuò)大到具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的AM零件，包括凹槽或應(yīng)力集中器等特征。研究這些應(yīng)力集中如何影響局部微觀結(jié)構(gòu)和缺陷，對于準(zhǔn)確評估此類零件的性能至關(guān)重要。彌合這些知識差距將有助于對現(xiàn)實(shí)情況下AM部件的疲勞行為有更全面的了解。

12.需要進(jìn)一步開展研究，通過各種表征技術(shù)對AM的內(nèi)在缺陷特征進(jìn)行全面研究。關(guān)鍵是要加強(qiáng)在制造過程中監(jiān)測和減少缺陷形成的技術(shù)，以及建立可靠的AM零件質(zhì)量控制方法。AM 技術(shù)面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是開發(fā)可靠的方法，根據(jù)缺陷信息和特征預(yù)測機(jī)械性能，特別是疲勞性能。這種預(yù)測方法的出現(xiàn)將大大減少所需的測試量。然而，目前這些方法尚未完全開發(fā)出來。應(yīng)對這些挑戰(zhàn)對于促進(jìn)對AM技術(shù)的理解和應(yīng)用至關(guān)重要。

13.為了簡化AM材料的鑒定和認(rèn)證過程，必須采用多尺度模擬技術(shù)。這些技術(shù)應(yīng)考慮AM材料的熱歷史，以預(yù)測其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，包括微觀結(jié)構(gòu)和缺陷的形成，從而建立工藝-結(jié)構(gòu)關(guān)系。一旦建立了結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，就有可能預(yù)測試樣的機(jī)械性能，并最終預(yù)測部件的性能。通過利用多尺度模擬來預(yù)測工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，可以大大減少對大量昂貴實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需求。這將增強(qiáng)對預(yù)測措施的信心，加快將AM技術(shù)集成到先進(jìn)制造工藝中，同時確保安全性和可靠性不受影響。


原文：Butt, M.M. Fatigue performance in additively manufactured metal alloys. Prog Addit Manuf (2024)