增材制造金屬疲勞性能研究:綜述

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、前沿科學(xué)研究院,、納智能材料器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、航天學(xué)院和強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)完整性全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員綜述報(bào)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(diǎn)：
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(duì)AM金屬的S-N和da/dN-∆K曲線進(jìn)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(jìn)的技術(shù),，正在迅速發(fā)展。許多研究表明,，AM金屬的強(qiáng)度或其他機(jī)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(gè)棘手的問(wèn)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(duì)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(kuò)展數(shù)據(jù)）的最新數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)AM金屬的疲勞性能和影響疲勞行為的主要因素進(jìn)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(jià)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(guò)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(jìn)行比較。

圖5.(a)無(wú)HIP和有HIP的EBMed Ti-6Al-4V顯微結(jié)構(gòu)。 (b)無(wú)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(qiáng)化（SP）,。(b)強(qiáng)化持續(xù)時(shí)間和(c)目標(biāo)表面壓力增加顯示了噴丸強(qiáng)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(xì)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(gè)微觀結(jié)構(gòu)示意圖,。

圖8.(a)機(jī)加工試樣與非機(jī)加工試樣（非HIP材料）的疲勞特性對(duì)比,。(b)經(jīng)HIP處理的部件與表面未經(jīng)機(jī)加工的非HIP處理部件的疲勞特性對(duì)比。(c)經(jīng)機(jī)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(cè)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(duì)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(guò)空心攪拌工具擠壓實(shí)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(cè)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(gè)方面回顧了AM金屬疲勞特性的最新進(jìn)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(jī)加工和USMAT）、HT,、HIP和高溫對(duì)AM金屬疲勞特性的影響,。對(duì)大量疲勞數(shù)據(jù)（S-N數(shù)據(jù)和da/dN-ΔK數(shù)據(jù)）進(jìn)行了提取和分類，其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)是按照傳統(tǒng)金屬疲勞測(cè)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