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、加齊大學增材制造技術研究與應用中心-EKTAM及美國德克薩斯A&M大學的研究人員綜述了增材制造金屬合金的疲勞性能。相關論文以“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鍵因素和潛在的失效機制。此外，本文還研究了AM金屬在循環(huán)載荷下可能出現的各種疲勞機制，包括裂紋的萌生和擴展以及斷裂。文章詳細研究了原料粉末特性、打印缺陷、微觀結構、成型方向、表面光潔度、殘余應力、樣品尺寸和結構以及熱處理和熱后處理的后果的影響。評述的主要重點是粉末床熔融工藝，但也包括有關電弧增材制造和其他金屬增材制造工藝的相關論文。這項工作提供了對AM加工金屬合金中疲勞分析的基本難點和潛在優(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樣品在機加工和非機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生產的合金718 疲勞壽命的影響

圖11殘余應力發(fā)展的機制

圖12影響增材制造零件殘余應力的因素

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)勢而備受關注。然而，使用這種方法生產關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。增材制造過程中產生的顯著特征包括缺陷的產生、殘余應力、表面粗糙度和各向異性行為。以下是一些結論性意見：

1.制造過程中產生的缺陷，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，包括其數量、方向、形狀、大小和位置，取決于多種因素，如工藝參數、成型方向、掃描策略和零件的結構。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)制造后處理所產生的微觀結構。

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，因為其形狀不規(guī)則，會加劇應力集中。球形夾帶氣體孔隙由于其結構，應力集中的程度較輕。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期缺陷及其與疲勞壽命的關系。

3.L-PBF工藝的特點是快速凝固、高能量密度和高熱梯度，這導致出現大量殘余應力和零件變形。拉伸殘余應力對疲勞行為的不利影響是公認的。然而，通過優(yōu)化層取向、采用合適的工藝參數和進行制造后熱處理，這些殘余應力可以得到緩解或大大減輕。通過仔細控制這些因素，可以最大限度地減少殘余應力的存在，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)生產的零件。這種差異源于制造技術固有的重復性。造成表面粗糙度的因素有很多，包括制造工藝的參數和類型、零件的結構、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，通過機加工或其他技術去除粗糙的外層，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雜的凈結構，對通過AM制造的復雜結構進行機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工藝和設計參數對于獲得更光滑的表面光潔度至關重要，從而有助于提高疲勞性能。

6.部件結構、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、微觀結構和隨后的機械性能。因此，具有不同結構和尺寸的AM部件，即使使用類似的材料和工藝參數生產，也可能無法顯示出可比的疲勞性能。因此，從小規(guī)模AM樣品中獲得的數據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，必須考慮尺寸和結構變化的影響。

7.AM零件的疲勞性能會受到成型層取向的顯著影響，從而導致各向異性行為。這種各向異性主要歸因于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。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構的方向性，但缺陷的存在和取向在決定各向異性疲勞響應方面發(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重要。

8.在適當的溫度和持續(xù)時間內進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的缺口敏感性，以及放松或消除殘余應力。在某些情況下，它們還有助于最大限度地減少結構各向異性。另一種增強抗疲勞性的有效熱機械處理方法是熱等靜壓（HIP）。熱等靜壓處理可減少氣孔和內部空隙（包括LoF缺陷）的體積，從而降低其尖銳度并提高疲勞性能。經過HIP處理的L-PBF Ti-6Al-4V試樣的實驗疲勞數據表明，其性能與傳統(tǒng)鍛造材料相當。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，因為HIP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。有關AM材料多軸疲勞響應的研究很少。研究表明，使用不同的L-PBF設備、不同的工藝參數或不同的熱處理工藝制作的試樣，會呈現出不同的微觀結構和缺陷群。因此，在承受多軸應力時，這些變化會導致不同的失效模式。為了有效關聯(lián)在不同應力狀態(tài)下獲得的多軸疲勞數據，需要一個適當的疲勞失效標準。該標準應考慮在不同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和掃描策略。通過將內部或表面缺陷和薄弱平面對準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，并做出明智的設計和制造決策，就必須在這一領域開展進一步的研究和分析。

10.全面了解AM部件中的PSPP對于確保生產出適合疲勞關鍵應用的高質量部件至關重要。然而，由于AM工藝的復雜性，這一目標面臨著挑戰(zhàn)。實驗鑒定和認證過程既耗時又昂貴，而且零件尺寸、結構、工藝參數或后處理條件的任何變化都會影響熱歷史，進而影響零件的微觀結構、缺陷分布、機械性能和整體性能。此外，由于缺乏專門針對AM的綜合標準，情況變得更加復雜。要應對這些挑戰(zhàn)，就必須開展廣泛的研究和合作，并制定強有力的指導方針，來考慮到AM中工藝、結構、性能和性能之間錯綜復雜的關系。

11.盡管已知表面粗糙度會對金屬AM部件的抗疲勞性產生不利影響，但對于哪種粗糙度參數能最有效地模擬這種影響仍未達成共識。這種認識必須擴大到具有復雜結構的AM零件，包括凹槽或應力集中器等特征。研究這些應力集中如何影響局部微觀結構和缺陷，對于準確評估此類零件的性能至關重要。彌合這些知識差距將有助于對現實情況下AM部件的疲勞行為有更全面的了解。

12.需要進一步開展研究，通過各種表征技術對AM的內在缺陷特征進行全面研究。關鍵是要加強在制造過程中監(jiān)測和減少缺陷形成的技術，以及建立可靠的AM零件質量控制方法。AM 技術面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)是開發(fā)可靠的方法，根據缺陷信息和特征預測機械性能，特別是疲勞性能。這種預測方法的出現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。應對這些挑戰(zhàn)對于促進對AM技術的理解和應用至關重要。

13.為了簡化AM材料的鑒定和認證過程，必須采用多尺度模擬技術。這些技術應考慮AM材料的熱歷史，以預測其產生的結構，包括微觀結構和缺陷的形成，從而建立工藝-結構關系。一旦建立了結構-性能關系，就有可能預測試樣的機械性能，并最終預測部件的性能。通過利用多尺度模擬來預測工藝-結構-性能關系，可以大大減少對大量昂貴實驗項目的需求。這將增強對預測措施的信心，加快將AM技術集成到先進制造工藝中，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)