表面粗糙度對增材制造TC4疲勞性能的影響

作者： 金鑫源

增材制造已經(jīng)成為越來越受歡迎的制造技術,，可以提供高的設計自由度,，并具有優(yōu)化復雜幾何形狀和定制零件的巨大潛力,。在航空航天領域中,，可以利用拓撲優(yōu)化來創(chuàng)建復雜的幾何形狀，進而可以減少結構部件的重量,，從而有效地提高燃料效率,。這些復雜的幾何形狀通常不 能通過傳統(tǒng)的減材制造方法生產(chǎn)，而完全使用增材制造（AM）生產(chǎn)的Ti-6Al-4V打印件所面 臨的主要問題之一是性能的可靠性,，特別是在循環(huán)載荷的條件下使用時,。而由于增材制造生產(chǎn)的零件通常具有結構缺陷如裂紋、孔隙和表面粗糙度,，因此需要進一步研究增材制造打印件的疲勞行為,。

1.增材制造
盡管目前已有學者對增材制造試樣表面粗糙度與疲勞行為之間的關系進行了研究，但是經(jīng)常對成形件表面進行了機加工和拋光處理降低表面粗糙度,，以獲得可以與鍛造件相比的疲勞極限,。但增材制造技術最大的優(yōu)勢之一就是可以直接制造近凈部件而不需要表面后處理，目前對直接打印成形件的表面粗糙度與疲勞行為的聯(lián)系仍需系統(tǒng)研究,。

2　研究思路
本文作者選取Ti-6Al-4V作為研究對象,，探索了零件尺寸與表面粗糙度,，表面積和試樣直徑對直接打印的成形件疲勞行為的影響，具體思路是用EOS M290設備以一定參數(shù),，按45°的成形方向打印了不同幾何尺寸的試樣，測試不同試樣的表面粗糙度和相應的疲勞性能,，將幾何尺寸,、表面粗糙度和疲勞性能之間的關系進行表征，對于設計可靠的增材制造零件和指定應用載荷的零件提供了相關的參考依據(jù),。

3　圖文導讀

圖一  不同幾何尺寸的試樣及上下表面示意圖

五個試樣的幾何形狀如圖1所示,，可以分成兩個不同的組。第一組保持恒定的應變區(qū)體積（CGV）,，同時將表面積逐漸增加25％,。如形狀1-3所示；第二組保持恒定的應變區(qū)直徑（CGD）,，同時將表面積逐漸增加 25％,，如形狀4-5所示。

圖二    五種幾何形狀的N-S曲線

（a）為測得的數(shù)據(jù)點,，（b）為擬合的N-S疲勞曲線,。圖中可以看到形狀1和2在應力幅度為100MPa時都具有疲勞極限，而所有其他形狀在該應力水平下都發(fā)生失效,。然而,，當應力幅度接近200MPa時，圖（a）中形狀2-5之間的數(shù)據(jù)顯示出一致的重疊性,。比較圖b中的N-S曲線,，可以看到形狀2-5都發(fā)生了彼此的重疊。

表一   實驗中不同幾何尺寸的試樣表面粗糙度

表1中可以看到,，對于所有的幾何形狀,，上表面的粗糙度是大致相似的，大約都在12-15μm,。而幾何形狀2-5之間的下表面粗糙度具有一致性,，幾何形狀1具有與上表面相當?shù)谋砻娲植诙取＝Y合圖2（b）中的N-S曲線表明,，增加下表面的粗糙度值對抗疲勞性是更加不利的,。

圖三   五種幾何形狀試樣表面粗糙度箱型圖

圖中可以看到，形狀2-5上下表面粗糙度差異顯著,；而較大直徑的幾何形狀1試樣具有近乎相同的上下表面粗糙度,。根據(jù)表面粗糙度統(tǒng)計可以分析解釋不同幾何形狀的低周疲勞行為（σa≥200MPa）差異上的原因。與幾何圖形2-5相比,，幾何形狀1具有最小的表面積并且同時具有最大直徑,，顯示出了圖2中所示更好的疲勞性能,。對于幾何形狀1試樣中觀察到較少的裂紋起始位點，可以通過樣品的上下表面之間較小的粗糙度差異來解釋,。另一方面,，幾何形狀2-5在其下表面具有相似的粗糙度，這解釋了其低周疲勞性能類似的原因,。

圖四    （a）形狀1（b）形狀2和（c）形狀3在應力幅度為200MPa時的裂紋起始位置,，其中（a）是最大直徑（最小表面積），（c）是最小直徑（最大表面積）,。

圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著直徑的減小,，裂紋萌生點的數(shù)量增加而萌生點之間的距離縮小。而萌生位置越接近,，各個裂縫的相互作用越快,，最終會以更大的驅(qū)動力聚結成單個大裂縫。

圖a中只有一個不同的撕裂脊,，有兩個裂紋萌生點,，如箭頭表示，且彼此相距較遠,。

圖b中仍然只有一個不同的撕裂脊,，但兩個裂紋萌生點彼此稍微靠近了一些。

最后,，圖c中顯示至少四個不同的撕裂脊,，且具有比圖b中更接近的起始位置。同時,，圖c中的撕裂脊在深度上看起來更大,，導致在第一裂紋擴展階段比圖a和b中有更多的曲折表面。這些觀察結果也解釋了幾何形狀4和5的疲勞數(shù)據(jù)十分相近的原因,。而對于具有相似直徑的試樣,，無論表面積如何，疲勞壽命大多是一致的,，這表明直徑因素可能對疲勞性能更具影響,。

4　總結及編者評述
本文研究了增材制造打印不同幾何形狀/尺寸的試樣的表面粗糙度與疲勞性能的關系，結果表明：

1. 試樣不同的表面積可能會影響實際的疲勞性能,，但是作者對不同直徑試樣的研究中,，沒有觀察到增加表面積對疲勞行為的顯著影響。而裂紋的萌生對表面粗糙度非常敏感,，其中所有裂紋都在較粗糙的下表面上萌生,，而具有較低表面粗糙度的試樣通常顯示出優(yōu)異的疲勞性能。該實驗結果對于打印垂懸結構的成形件具有重要的指導意義,，如較高的下表面粗糙度將更容易引起裂紋,，導致較低的抗疲勞性能,。

2. 橫截面直徑對裂縫的萌生行為影響較大，其中較小直徑的試樣通常具有彼此臨近的多個裂縫起始點,。多個起始裂紋相互接近使得裂縫更早地發(fā)生聚結,，這使得裂縫生長的穩(wěn)定性變差，導致疲勞壽命降低,。而隨著成形件直徑的增大,，使得邊緣下有更大的凝固體積，可以更有效地耗散熔池的熱量,，實驗中直徑大于4.90mm的試樣下表面粗糙度顯著降低。該結果表明,，通過增加垂懸部件的厚度/尺寸,，可以減輕下表面粗糙度帶來的影響。

3. 對于具有較小直徑的試樣,，研究發(fā)現(xiàn)表面粗糙度對高周疲勞行為的影響更大,，在高周疲勞狀態(tài)下，所施加的應力更高并且疲勞壽命更短,。

4. 直接打印Ti-6Al-4V成形件的疲勞極限約為110MPa,，顯著低于Ti-6Al-4V鍛造件的疲勞極限(550-750MPa)。粗糙表面引入的許多微缺口,，很可能是SLM打印的Ti-6Al4V試樣疲勞強度降低的主要原因之一,。本文針對增材制造打印件表面質(zhì)量對疲勞性能影響的基礎理論研究，對實際打印過程中復雜垂懸結構設計及工藝的控制有一定指導意義,。

本文由高溫合金精密成型研究中心2017級碩士-金鑫源編輯整理

作者： 金鑫源
來源：高溫合金精密成型研究中心