增材制造金屬疲勞性能研究:綜述

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室、前沿科學(xué)研究院、納智能材料器件教育部重點實驗室、航天學(xué)院和強度與結(jié)構(gòu)完整性全國重點實驗室的科研人員綜述報道了增材制造金屬疲勞性能的研究。相關(guān)論文以“A holistic review on fatigue properties of additively manufactured metals”為題發(fā)表在《Journal of Materials Processing Technology》上。

重點：
1.綜述已公布的增材制造（AM）金屬的最新疲勞數(shù)據(jù)。
2.比較和分析了影響AM金屬疲勞性能的主要因素。
3.對AM金屬的S-N和da/dN-∆K曲線進行數(shù)據(jù)提取。
4.由于制造工藝的原因，AM金屬的疲勞性能表現(xiàn)出較大的分散性。

增材制造（AM）技術(shù)作為一種先進的技術(shù)，正在迅速發(fā)展。許多研究表明，AM金屬的強度或其他機械性能可與傳統(tǒng)制造的金屬相媲美，甚至更勝一籌，但在循環(huán)或疲勞載荷下，AM金屬的疲勞性能仍是一個棘手的問題。目前還缺乏關(guān)于AM金屬疲勞性能和數(shù)據(jù)的全面概述。本文將對已發(fā)表的有關(guān)AM金屬疲勞性能（S-N數(shù)據(jù)和疲勞裂紋擴展數(shù)據(jù)）的最新數(shù)據(jù)進行回顧。此外，還系統(tǒng)地概述了鈦基、鋁基、鎳基、鎂基合金、不銹鋼和高熵合金等AM金屬材料的疲勞性能。文中列出了上述金屬、AM技術(shù)和影響因素（制造參數(shù)，如成型方向、加工參數(shù)和后處理）的疲勞性能數(shù)據(jù)摘要圖和表格。最后對AM金屬的疲勞性能和影響疲勞行為的主要因素進行了比較和批判性分析，從而為提高AM金屬的疲勞性能提供了有價值的指導(dǎo)。

圖1.增材制造金屬的材料-加工-疲勞關(guān)系示意圖。

圖2.(a)AP&C Ti-6Al-4V粉末和(b)EOS Ti-6Al-4V粉末，(c)氣體霧化粉末和(d)等離子體霧化粉末，以及(e)新Ti-6Al-4V粉末和(f)舊Ti-6Al-4V粉末的掃描電鏡顯微圖。

圖3.不同尺寸和缺口試樣的幾何形狀。

圖4.(a)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞微型試樣的載荷示意圖和應(yīng)力分布。(b)原位/原位RBF小型試樣的疲勞數(shù)據(jù)與經(jīng)過各種后熱處理的AM合金（包括L-PBF、電子束粉末床熔融（PBF-EB）和電子束熔化（EBM））的疲勞數(shù)據(jù)進行比較。

圖5.(a)無HIP和有HIP的EBMed Ti-6Al-4V顯微結(jié)構(gòu)。 (b)無HIP和有HIP的DMLSed Ti-6Al-4V顯微結(jié)構(gòu)。

圖6.示意圖描述了(a)噴丸強化（SP）。(b)強化持續(xù)時間和(c)目標(biāo)表面壓力增加顯示了噴丸強化處理的效果。(d)從左到右，SP處理的常見效果包括增加表面粗糙度、誘導(dǎo)表層晶粒細化、硬化和誘導(dǎo)壓縮殘余應(yīng)力。

圖7.LDED制備的試樣在LSP期間的冶金缺陷和殘余應(yīng)力演變示意圖。(d)沿深度方向的整個微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8.(a)機加工試樣與非機加工試樣（非HIP材料）的疲勞特性對比。(b)經(jīng)HIP處理的部件與表面未經(jīng)機加工的非HIP處理部件的疲勞特性對比。(c)經(jīng)機加工表面的HIP材料與加工表面和參考材料的疲勞性能比較。

圖9. (a)WAAM和LSP工藝示意圖。(b)不同處理后界面區(qū)域的EBSD分析。HT前、HT、HT +LSP的KAM圖。(c) 顯微硬度曲線。

圖10.(a)缺乏熔合缺陷；(b)鎖孔缺陷。(c)球化顆粒。

圖11.SLM AlSi10Mg的微觀結(jié)構(gòu)。

圖12.在135 MPa下測試的L-PBF AB（a-e）、HIP（f、g）、OA2（h、i）Al-Mg-Sc-Zr樣品的疲勞斷裂面。

圖13.SLM IN 718試樣的疲勞壽命取決于其相對于成型方向的取向。

圖14.SLM制造的Inconel 718的缺口疲勞特性。

圖15.(a)通過空心攪拌工具擠壓實心棒的MELD工藝示意圖。(b)在HY80襯底上沉積的 IN625樣品。(c)用于沉積IN625和原料IN625試樣的疲勞試樣。

圖16.激光快速制造（LRM）Inconel 625 CT 測試樣品的步驟順序。

圖17.綜述中研究的增材制造金屬、AM和后處理、疲勞性能（例如SLM Ti-6Al-4V）和挑戰(zhàn)。

綜上所述，科研人員從疲勞壽命、疲勞極限和FCG三個方面回顧了AM金屬疲勞特性的最新進展。本工作中提到的增材金屬包括常用的鈦合金（如TC4、TC17、TC18、TA15、CP Ti等）、鋁合金（如AlSi10Mg、AlSi12、AlSi7Mg、AlMgScZr 和 AlMgMn）、不銹鋼（如316L、15-5 PH和17-4H）、鎳基合金（如IN718、IN625等）、鎂基合金和高熵合金。為全面了解AM金屬的加工-材料-疲勞關(guān)系，系統(tǒng)研究了顆粒、結(jié)構(gòu)、制造加工參數(shù)（如AM技術(shù)、激光功率和速度、成型方向和掃描策略）、后處理（如LP、SP、LSP、機加工和USMAT）、HT、HIP和高溫對AM金屬疲勞特性的影響。對大量疲勞數(shù)據(jù)（S-N數(shù)據(jù)和da/dN-ΔK數(shù)據(jù)）進行了提取和分類，其中大部分數(shù)據(jù)是按照傳統(tǒng)金屬疲勞測試標(biāo)準(zhǔn)獲得的。由于AM缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致疲勞數(shù)據(jù)相當(dāng)分散。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118425