頂刊綜述《Acta Materialia》：全面回顧增材制造金屬材料的斷裂和疲勞！

來源：材料學網

導讀：近日，南非斯坦陵布什大學的Thorsten Hermann Becker和新加坡材料研究和工程研究所的Upadrasta Ramamurty等人發(fā)表了題為Fracture andFatigue in Additively Manufactured Metals的頂刊綜述。對增材制造（AM）合金的結構-性能相關性的當前理解進行了全面的回顧。強調了AM合金微觀結構的獨特方面、工藝相關屬性及其對拉伸、斷裂、疲勞裂紋擴展和無缺口疲勞性能的影響，重點介紹了微觀結構和工藝屬性之間的相互作用，以確定AM合金的結構完整性，如接近臨界疲勞裂紋擴展速率、斷裂韌性和疲勞強度。這些方面與鍛造或鑄造合金中各自的結構-性能相關性進行了對比。總結了通過在AM過程中改變加工條件或通過退火、熱等靜壓和噴丸等后處理處理來提高合金損傷容限的策略。識別了AM合金疲勞和斷裂方面存在的差距，這對于工程部件的廣泛部署和可靠設計至關重要；這種差距有望為這一領域的研究提供未來的途徑。

金屬零件的傳統(tǒng)制造除了是關鍵技術的促成因素外，也是現(xiàn)代工業(yè)經濟的一個組成部分。通常，制造包括鑄造，然后使用鍛造、軋制或擠壓（或其他方法）進行熱機械加工“成形”，以及通過焊接、機加工、表面改性等進行最終“精加工”。隨著這些工藝經過幾個世紀的微調和完善，對合金成分、加工歷史、微觀結構演變和機械性能之間關系的詳細機理已經發(fā)展并應用于工業(yè)實踐。鑒于結構零件通常必須同時滿足多個特性指標，此類知識尤其重要，因為成分或加工路線（或兩者）中的微小變化可以以多種方式改變特性組合，而這些方式不一定以簡單方式關聯(lián)。

增材制造（AM）—與傳統(tǒng)制造中通常采用的“減法制造”相比—有可能侵占上述微調制造平衡。這是因為它提供了許多優(yōu)勢：（i）僅使用一個制造步驟進行近凈形狀零件制造，（ii）允許進入設計空間的設計靈活性，否則無法利用，（iii）接近零的材料損耗，導致高“飛購”比率，（iv）零件的快速原型設計和測試，這顯著縮短了新設計的“從概念到部署”周期時間，（v）使用不同合金制造不同類型組件的靈活性，（vi）按需制造，從而降低庫存成本，減少供應鏈中斷，以及（vii）生產成分梯度零件或包含多種合金的能力。因此，全世界都對AM感到相當感興趣，已經（或正在）對研究和能力建設進行了大量投資。AM對于工業(yè)4.0的重要性，因為它的數(shù)字特性也是一個潛在的原因。

在正在探索的不同類別的材料中，金屬和合金的AM在技術上是最具挑戰(zhàn)性的，因為以高重復性的方式生產零件并不像表面看起來那么簡單。由于逐線、逐層建造策略產生的額外工藝相關屬性，如孔隙度、殘余應力、細觀結構，制造零件不同位置的微觀結構變化為建立加工結構-性能關系增加了相當大的復雜性。因此，確保為質量評估和認證目的生產的零件的結構完整性和可靠性仍然是阻礙AM廣泛應用的主要挑戰(zhàn)。解決這一挑戰(zhàn)的關鍵是詳細的結構-屬性關聯(lián)，其中也考慮了過程屬性。雖然對制造方面和微觀結構-拉伸性能連接進行了廣泛的調查和報告，但對最終決定工程零件結構完整性的疲勞和斷裂方面沒有進行廣泛的調查，特別是從“微觀結構”的角度。

疲勞驅動斷裂是承載部件結構失效的最主要原因。在傳統(tǒng)制造的金屬合金中，驅動疲勞失效的萌生、擴展和快速斷裂機制的微觀結構起源已被充分理解。然而，對于AM合金中獨特的微觀結構（如細亞穩(wěn)相、細觀結構和孔隙率——所有這些都是由獨特的加工屬性直接導致的）如何影響疲勞和斷裂的理解尚未牢固確立。這不僅對AM部件的可靠性評估至關重要，而且有助于確定必須修改的加工步驟，以生產具有足夠或優(yōu)越結構完整性的部件。AM與大量工藝參數(shù)相關聯(lián)，允許復雜的設計特征，導致極不尋常的加載配置，并允許定制零件生產；這使得連接材料、工藝和結構特別困難�？紤]到這一點，作者在此對AM合金的疲勞和斷裂方面進行了全面的回顧。此外，由于微觀結構和拉伸性能構成了討論的重要部分，因此也對這些方面進行了總結。

綜述第2節(jié)簡要概述廣泛使用的AM技術和合金，強調相關工藝屬性和常見的AM合金。通常報告的AM合金主題貫穿整個綜述，首先討論微觀結構特征（第3節(jié)）和工藝相關屬性（第4節(jié)）。隨后，對準靜態(tài)特性，即拉伸（第5節(jié)）和斷裂韌性（第6節(jié)）特性進行了綜述。第7節(jié)側重于疲勞裂紋擴展行為，而第8節(jié)側重于無缺口疲勞。第9節(jié)為結束語。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

AM的出現(xiàn)有望以前所未有的方式徹底改變金屬零件制造。為了實現(xiàn)這一潛力，使AM合金能夠成功地應用于工業(yè)實踐，必須深入了解加工微觀結構和機械性能。AM固有的其他特征，如細觀結構、孔隙度、殘余應力以及它們之間復雜的相互作用，使這一點變得非常復雜。雖然已經在AM的制造方面以及微觀結構和拉伸性能的評估方面進行了大量的研究，但對斷裂韌性和疲勞性能的研究相對較少。由于這些性能對于確保AM零件的結構完整性（以及認證）至關重要，因此，更多關注AM合金的疲勞和斷裂對于理解這些性能是如何由上述特征控制的至關重要這樣的知識，反過來，可以用來設計損傷容限結構部件。在這種情況下，需要記住AM合金的以下獨特方面。

圖1 圖解說明（a）基于激光的粉末床熔合（LB-PBP）工藝、（b）基于激光的定向能沉積（LB-DED）工藝和（c）粘合劑噴射打�。˙JP）工藝的示意圖。

圖2 316L中細胞結構的HAADF干細胞圖像，其中EDS圖譜顯示鉬和鉻分離到細胞邊界。LAGB-低角度晶界。

圖3 LB-PBF（a）AlSi12的代表性微觀結構采用單熔體策略生產，（b）SEM圖像顯示具有硅偏析的熔池邊界區(qū)域。(c）使用90˚掃描旋轉和（d）后續(xù)層之間67˚掃描旋轉生產Ti6Al4V。

雖然延展性是決定合金在工程實踐中適用性的一個重要特性，但在AM合金中，它可能不是一個非常重要的特性。這是因為凈形部件是直接制造的，不需要進一步的“二次機械加工”，否則，合金的延展性將成為一個重要因素。由于通過細觀結構設計可以提高斷裂韌性——大多數(shù)傳統(tǒng)制造合金中延性作為代理的關鍵性能，因此最好直接關注斷裂韌性的評估以及如何進一步優(yōu)化強韌性組合。

如果使用環(huán)境富氫且具有腐蝕性，則會對AM合金的結構完整性產生重大影響，因為亞穩(wěn)相、細觀結構、孔隙率和固有殘余應力會降低性能。因此，需要對使用AM生產的合金的應力腐蝕開裂和氫脆等方面進行研究，這些方面到目前為止幾乎沒有受到任何關注。

盡管在模擬AM過程本身和微觀結構發(fā)展方面繼續(xù)做出大量努力，但基于力學的AM合金結構斷裂/疲勞性能關系建模仍有待研究。通過這些努力獲得的見解在調整加工條件以增強損傷容限方面尤其有用，例如在微調細觀結構以增強抗裂性方面。

圖4 顯示分層結構的316L顯微照片。（a） 顯示晶粒取向的IPF圖，（b）顯示熔體池高角度晶界的SEM顯微圖，（c）顯示胞狀結構的TEM顯微圖，（d）胞狀邊界上的氧化物雜質。316L的IPF圖顯示了熔池對織構的影響。（e）熔池寬度175μm，深度75μm（f）熔池寬度175μm，深度125μm，以及（g）熔池寬度250μm，深度125μm。

圖5 （a） HAADF-STEM顯微照片和STEM-EDX圖突出了（b）Nb和（c）Ti沿細胞邊界的分離。顯示（d）AB試樣中Nb偏析的EPMA元素圖，（e）時效后（AG，720˚C持續(xù)8小時，620˚C持續(xù)8小時），（f）溶解和時效后（STA，980˚C持續(xù)1小時，AG），（g）均化和溶解后（HSTA，1150˚C持續(xù)1小時，STA）。SEM圖像顯示了在（h）930˚C和（h）980˚C下處理1h的試樣溶液中δ相的分布。

圖6 SEM顯微照片顯示了（a）AB狀態(tài)下的Si顆粒分布，（b）AN（160˚C持續(xù)5小時），（C）SR（320˚C持續(xù)2小時）和（d）T6處理后的Si顆粒分布，（510˚C持續(xù)6小時），然后是AG（170˚C持續(xù)4小時）。

圖7 使用LB-PBFTi6Al4V軟件從顯微CT結果中收集缺陷的縱橫比（AR）與球形度。

在某些情況下，以激光工藝為主的快速凝固條件誘導了亞穩(wěn)和精細的微觀結構特征，合金元素的固溶性延長，而構建策略賦予了細觀結構特征。前者能增強強度，后者能增強韌性。AM為設計具有增強強度-韌性組合的合金提供的這些額外的“自由度”尚未得到充分利用。

大多數(shù)金屬AM的起始材料為粉末狀。因此，竣工零件中不可避免地存在氣孔。雖然后加工處理（如HIP）可以顯著降低（甚至消除）孔隙率和缺乏熔合缺陷，但它們抵消了AM在一步生產最終零件能力方面的獨特優(yōu)勢（此外，設計復雜的零件的臀部特征AM的另一個關鍵特征可能并不簡單）。有鑒于此，似乎對采用AM制造的部件采用“損傷容限設計”理念是確保結構完整性和可靠性的最佳方法。在這種方法中，缺陷的存在被認為是理所當然的，這使得微觀和細觀結構對近門檻疲勞裂紋擴展和裂紋閉合行為的作用變得重要。改進∆Kth通過允許更大的臨界缺陷尺寸，大大提高了HCF性能。然后，使用基于斷裂力學的方法確保在循環(huán)荷載條件下產生的缺陷尺寸或裂紋長度不會超過臨界缺陷尺寸。為此，必須詳細了解加工條件如何影響孔隙度。由于缺陷尺寸、形狀和位置等方面在確定零件疲勞壽命方面起著關鍵作用，因此需要對其進行詳細描述。

圖8 掃描旋轉產生的LB-PBFTi6Al4V的重建顯微CT圖像俯視圖，試樣層厚（t）=30μm，填充間距（h）=140μm，（a）Φ=90°（b）Φ= 67°，（c）顯示LB-PBF工藝過程中使用的四種不同工藝參數(shù)組合的缺陷尺寸分布的直方圖。

圖9 LB-PBF Ti6Al4V的SEM圖像。(b） SEM圖像EB-PBFTi6Al4V。(c） （a）所示試樣的顯微CT掃描。(d） LB-PBFTi6Al4V同步輻射顯微層析成像，分辨率為1.5μm。

圖10 LB-PBF W中的裂紋網絡。圖中顯示了導致不同熔池尺寸的兩種激光曝光策略：在（a）中為淺熔池，在（b）中為深熔池。黑色箭頭表示橫向裂紋。

圖11 化學蝕刻LB-PBFTi6Al4V（a）AB表面（AB）和化學蝕刻（b-d）不同摩爾（M）溶液濃度后的表面光潔度。

圖12 （a） 17-4PH鋼經過沉淀硬化熱處理后的裂紋路徑。位置1和2在（b）顯示1處的微觀結構，在（c）顯示2處的微觀結構。箭頭表示歸因于δ鐵素體的剪切帶，該剪切帶由于δ鐵素體和馬氏體的弱界面以及δ鐵素體的低塑性和脆性行為而加速裂紋擴展。

圖13 掃描電子顯微照片顯示（a）Z-X和（b）X-Z方向上LBPBF AlSi12沿激光軌跡的斷裂面。

圖14 LBPBF Ti6Al4V的Z-X（邊緣）、X-Z（垂直）和X-Y（平面）方向上的裂紋輪廓。所有顯微照片均處于AB狀態(tài)，并在近閾值區(qū)域的位置拍攝.

圖15 （a） 基于El Haddad公式的北川高橋圖，用于使用t-Φ, AB和熱處理條件下的30μm-90°和60μm-67°。臨界缺陷尺寸ac隨應力幅度σa的變化與缺陷尺寸一起繪制(b） 用t-Φ，30μm-90°和60μm-67°。

圖16 BJP 316L試樣的顯微照片顯示，在應力幅度σa為270 MPa的情況下，在疲勞試樣標距長度上觀察到從裂紋的所有角開始的小疲勞裂紋，在107個循環(huán)中存活。插圖中顯示的EDS圖顯示，其中一個角裂紋被基體中的δ–鐵素體阻止。

目前，阻礙金屬AM零件在工業(yè)中廣泛應用的一個主要原因是微觀結構的空間變化、高殘余應力、表面光潔度和缺陷的存在，這些缺陷由原料、按制造和機器對機器的可變性復合而成。對工藝結構（包括屬性）-機械性能連接的透徹理解將有助于深入了解其中哪些是關鍵的（如果有的話），從而更容易將AM零件與確保的可靠性進行集成。