表面粗糙度对增材制造TC4疲劳性能的影响

作者： 金鑫源

增材制造已经成为越来越受欢迎的制造技术，可以提供高的设计自由度，并具有优化复杂几何形状和定制零件的巨大潜力。在航空航天领域中，可以利用拓扑优化来创建复杂的几何形状，进而可以减少结构部件的重量，从而有效地提高燃料效率。这些复杂的几何形状通常不 能通过传统的减材制造方法生产，而完全使用增材制造（AM）生产的Ti-6Al-4V打印件所面 临的主要问题之一是性能的可靠性，特别是在循环载荷的条件下使用时。而由于增材制造生产的零件通常具有结构缺陷如裂纹、孔隙和表面粗糙度，因此需要进一步研究增材制造打印件的疲劳行为。

1.增材制造
尽管目前已有学者对增材制造试样表面粗糙度与疲劳行为之间的关系进行了研究，但是经常对成形件表面进行了机加工和抛光处理降低表面粗糙度，以获得可以与锻造件相比的疲劳极限。但增材制造技术最大的优势之一就是可以直接制造近净部件而不需要表面后处理，目前对直接打印成形件的表面粗糙度与疲劳行为的联系仍需系统研究。

2　研究思路
本文作者选取Ti-6Al-4V作为研究对象，探索了零件尺寸与表面粗糙度，表面积和试样直径对直接打印的成形件疲劳行为的影响，具体思路是用EOS M290设备以一定参数，按45°的成形方向打印了不同几何尺寸的试样，测试不同试样的表面粗糙度和相应的疲劳性能，将几何尺寸、表面粗糙度和疲劳性能之间的关系进行表征，对于设计可靠的增材制造零件和指定应用载荷的零件提供了相关的参考依据。

3　图文导读

图一  不同几何尺寸的试样及上下表面示意图

五个试样的几何形状如图1所示，可以分成两个不同的组。第一组保持恒定的应变区体积（CGV），同时将表面积逐渐增加25％。如形状1-3所示；第二组保持恒定的应变区直径（CGD），同时将表面积逐渐增加 25％，如形状4-5所示。

图二    五种几何形状的N-S曲线

（a）为测得的数据点，（b）为拟合的N-S疲劳曲线。图中可以看到形状1和2在应力幅度为100MPa时都具有疲劳极限，而所有其他形状在该应力水平下都发生失效。然而，当应力幅度接近200MPa时，图（a）中形状2-5之间的数据显示出一致的重叠性。比较图b中的N-S曲线，可以看到形状2-5都发生了彼此的重叠。

表一   实验中不同几何尺寸的试样表面粗糙度

表1中可以看到，对于所有的几何形状，上表面的粗糙度是大致相似的，大约都在12-15μm。而几何形状2-5之间的下表面粗糙度具有一致性，几何形状1具有与上表面相当的表面粗糙度。结合图2（b）中的N-S曲线表明，增加下表面的粗糙度值对抗疲劳性是更加不利的。

图三   五种几何形状试样表面粗糙度箱型图

图中可以看到，形状2-5上下表面粗糙度差异显著；而较大直径的几何形状1试样具有近乎相同的上下表面粗糙度。根据表面粗糙度统计可以分析解释不同几何形状的低周疲劳行为（σa≥200MPa）差异上的原因。与几何图形2-5相比，几何形状1具有最小的表面积并且同时具有最大直径，显示出了图2中所示更好的疲劳性能。对于几何形状1试样中观察到较少的裂纹起始位点，可以通过样品的上下表面之间较小的粗糙度差异来解释。另一方面，几何形状2-5在其下表面具有相似的粗糙度，这解释了其低周疲劳性能类似的原因。

图四    （a）形状1（b）形状2和（c）形状3在应力幅度为200MPa时的裂纹起始位置，其中（a）是最大直径（最小表面积），（c）是最小直径（最大表面积）。

图中可以发现随着直径的减小，裂纹萌生点的数量增加而萌生点之间的距离缩小。而萌生位置越接近，各个裂缝的相互作用越快，最终会以更大的驱动力聚结成单个大裂缝。

图a中只有一个不同的撕裂脊，有两个裂纹萌生点，如箭头表示，且彼此相距较远。

图b中仍然只有一个不同的撕裂脊，但两个裂纹萌生点彼此稍微靠近了一些。

最后，图c中显示至少四个不同的撕裂脊，且具有比图b中更接近的起始位置。同时，图c中的撕裂脊在深度上看起来更大，导致在第一裂纹扩展阶段比图a和b中有更多的曲折表面。这些观察结果也解释了几何形状4和5的疲劳数据十分相近的原因。而对于具有相似直径的试样，无论表面积如何，疲劳寿命大多是一致的，这表明直径因素可能对疲劳性能更具影响。

4　总结及编者评述
本文研究了增材制造打印不同几何形状/尺寸的试样的表面粗糙度与疲劳性能的关系，结果表明：

1. 试样不同的表面积可能会影响实际的疲劳性能，但是作者对不同直径试样的研究中，没有观察到增加表面积对疲劳行为的显着影响。而裂纹的萌生对表面粗糙度非常敏感，其中所有裂纹都在较粗糙的下表面上萌生，而具有较低表面粗糙度的试样通常显示出优异的疲劳性能。该实验结果对于打印垂悬结构的成形件具有重要的指导意义，如较高的下表面粗糙度将更容易引起裂纹，导致较低的抗疲劳性能。

2. 横截面直径对裂缝的萌生行为影响较大，其中较小直径的试样通常具有彼此临近的多个裂缝起始点。多个起始裂纹相互接近使得裂缝更早地发生聚结，这使得裂缝生长的稳定性变差，导致疲劳寿命降低。而随着成形件直径的增大，使得边缘下有更大的凝固体积，可以更有效地耗散熔池的热量，实验中直径大于4.90mm的试样下表面粗糙度显着降低。该结果表明，通过增加垂悬部件的厚度/尺寸，可以减轻下表面粗糙度带来的影响。

3. 对于具有较小直径的试样，研究发现表面粗糙度对高周疲劳行为的影响更大，在高周疲劳状态下，所施加的应力更高并且疲劳寿命更短。

4. 直接打印Ti-6Al-4V成形件的疲劳极限约为110MPa，显着低于Ti-6Al-4V锻造件的疲劳极限(550-750MPa)。粗糙表面引入的许多微缺口，很可能是SLM打印的Ti-6Al4V试样疲劳强度降低的主要原因之一。本文针对增材制造打印件表面质量对疲劳性能影响的基础理论研究，对实际打印过程中复杂垂悬结构设计及工艺的控制有一定指导意义。

本文由高温合金精密成型研究中心2017级硕士-金鑫源编辑整理

作者： 金鑫源
来源：高温合金精密成型研究中心