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燥筷。相關(guān)論文以“Fatigue performance in additively manufactured metal alloys”為題發(fā)表在《Progress in Additive Manufacturing》上搪狈。
本文綜述了增材制造（AM）金屬合金的疲勞特性末捣，探討了影響其耐久性的關(guān)鍵因素和潛在的失效機(jī)制秋豌。此外矫评，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)制缠导，包括裂紋的萌生和擴(kuò)展以及斷裂树季。文章詳細(xì)研究了原料粉末特性、打印缺陷陋锚、微觀結(jié)構(gòu)潘谴、成型方向、表面光潔度是菇、殘余應(yīng)力哆沽、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)是粉末床熔融工藝枣肚，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)論文贬嚷。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)勢的全面了解僧少。它還系統(tǒng)地確定AM金屬合金疲勞性能的未來研究問題，差距汇光，挑戰(zhàn)和有前景的未來方向供撵。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，在成型的樣品中旱谐，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疲勞壽命蔗括。(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)部缺陷淋袖、b非圓形的表面缺陷鸿市、c與表面相互作用的非圓形的內(nèi)部缺陷锯梁、d與表面相互作用的兩個相鄰缺陷即碗、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陌凳。
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多尺度建陌粒框架
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。然而合敦，使用這種方法生產(chǎn)關(guān)鍵部件仍處于早期階段初橘。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)載荷充岛，而增材制造金屬的疲勞性能仍然知之甚少保檐。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)力崔梗、表面粗糙度和各向異性行為夜只。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空隙蒜魄，對AM加工金屬的疲勞行為有很大影響扔亥。這些缺陷的特征，包括其數(shù)量盯辅、方向摹跑、形狀、大小和位置趴鹰，取決于多種因素胚砰，如工藝參數(shù)、成型方向纠沉、掃描策略和零件的結(jié)構(gòu)敬魏。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)庸颂。2.缺陷對HCF區(qū)域的影響更為明顯肠豺。在這些缺陷中沸稻，熔融不足的影響更為不利，因?yàn)槠湫螤畈灰?guī)則俐粪，會加劇應(yīng)力集中所饺。球形夾帶氣體孔隙由于其結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中的程度較輕褪秀。通常情況下蓄诽，缺陷集中在表面附近，由于局部應(yīng)力較大媒吗，這些缺陷對疲勞性能的影響更大仑氛。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)系闸英。3.L-PBF工藝的特點(diǎn)是快速凝固锯岖、高能量密度和高熱梯度，這導(dǎo)致出現(xiàn)大量殘余應(yīng)力和零件變形甫何。拉伸殘余應(yīng)力對疲勞行為的不利影響是公認(rèn)的出吹。然而，通過優(yōu)化層取向辙喂、采用合適的工藝參數(shù)和進(jìn)行制造后熱處理捶牢，這些殘余應(yīng)力可以得到緩解或大大減輕。通過仔細(xì)控制這些因素巍耗，可以最大限度地減少殘余應(yīng)力的存在秋麸，并提高AM部件的疲勞性能。4.在竣工狀態(tài)下馆柬，AM零件的表面粗糙度通常高于傳統(tǒng)生產(chǎn)的零件筒臂。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溯侦，包括制造工藝的參數(shù)和類型墅糯、零件的結(jié)構(gòu)、粉末的大小和方向况魔。值得注意的是况逼，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奢赡。5.AM部件的疲勞裂紋主要來自坯件表面了槽。因此，通過機(jī)加工或其他技術(shù)去除粗糙的外層掷暇，可以大大提高AM零件的疲勞性能蛙疗。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)曾蚊，甚至是不可行的赃阀。因此，選擇合適的粉末特性以及優(yōu)化AM工藝和設(shè)計參數(shù)對于獲得更光滑的表面光潔度至關(guān)重要擎颖，從而有助于提高疲勞性能榛斯。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搂捧，從而影響缺陷的形成驮俗、微觀結(jié)構(gòu)和隨后的機(jī)械性能。因此允跑，具有不同結(jié)構(gòu)和尺寸的AM部件王凑，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聋丝。因此索烹，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。因此潮针，在評估AM部件的疲勞性能時术荤，必須考慮尺寸和結(jié)構(gòu)變化的影響倚喂。7.AM零件的疲勞性能會受到成型層取向的顯著影響每篷，從而導(dǎo)致各向異性行為。這種各向異性主要?dú)w因于LoF缺陷的存在笛吱，這些缺陷通常垂直于成型方向搁蛤。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途培，垂直制作的試樣通常表現(xiàn)出較短的疲勞壽命建搞。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)的方向性注欧，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)揮著更重要的作用祈岔。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)重要钙蕉。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部件的延展性口纸。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)力官孝。在某些情況下努禽，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）门俏。熱等靜壓處理可減少氣孔和內(nèi)部空隙（包括LoF缺陷）的體積丸匀，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)表明危融，其性能與傳統(tǒng)鍛造材料相當(dāng)畏铆。然而雷袋，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辞居，因?yàn)镠IP處理后的試樣表面粗糙片排，會繼續(xù)影響其疲勞壽命，尤其是在高循環(huán)疲勞(HCF)階段速侈。因此率寡，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倚搬，而且可能需要額外的后處理步驟來優(yōu)化AM部件的疲勞性能冶共。9.盡管多軸疲勞在設(shè)計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每界。有關(guān)AM材料多軸疲勞響應(yīng)的研究很少捅僵。研究表明，使用不同的L-PBF設(shè)備眨层、不同的工藝參數(shù)或不同的熱處理工藝制作的試樣荷右，會呈現(xiàn)出不同的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷群。因此捅硅，在承受多軸應(yīng)力時完簿，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)桅蕊，需要一個適當(dāng)?shù)钠谑?biāo)準(zhǔn)聚灸。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)和掃描策略阅牛。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朱鹤，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秫痪，并做出明智的設(shè)計和制造決策延杯，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)重要叭舰。然而玫斋，由于AM工藝的復(fù)雜性，這一目標(biāo)面臨著挑戰(zhàn)显驼。實(shí)驗(yàn)鑒定和認(rèn)證過程既耗時又昂貴哼御，而且零件尺寸、結(jié)構(gòu)焊唬、工藝參數(shù)或后處理?xiàng)l件的任何變化都會影響熱歷史恋昼，進(jìn)而影響零件的微觀結(jié)構(gòu)、缺陷分布、機(jī)械性能和整體性能液肌。此外挟炬，由于缺乏專門針對AM的綜合標(biāo)準(zhǔn)，情況變得更加復(fù)雜嗦哆。要應(yīng)對這些挑戰(zhàn)谤祖，就必須開展廣泛的研究和合作，并制定強(qiáng)有力的指導(dǎo)方針老速，來考慮到AM中工藝粥喜、結(jié)構(gòu)、性能和性能之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系橘券。11.盡管已知表面粗糙度會對金屬AM部件的抗疲勞性產(chǎn)生不利影響额湘，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零件荞诡，包括凹槽或應(yīng)力集中器等特征忘哼。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)重要灸尾。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锨穷。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)行全面研究汗势。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)岗憨，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)可靠的方法拔灾，根據(jù)缺陷信息和特征預(yù)測機(jī)械性能署霸，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继锰。然而，目前這些方法尚未完全開發(fā)出來麸档。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)重要及窃。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)乃沙。這些技術(shù)應(yīng)考慮AM材料的熱歷史起趾，以預(yù)測其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，包括微觀結(jié)構(gòu)和缺陷的形成警儒，從而建立工藝-結(jié)構(gòu)關(guān)系训裆。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)械性能蜀铲，并最終預(yù)測部件的性能边琉。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)測措施的信心变姨，加快將AM技術(shù)集成到先進(jìn)制造工藝中族扰，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)
