选区激光熔化增材制造Ti6Al4V合金的疲劳极限预测方法

来源： 增材制造硕博联盟

随着近期增材制造技术的不断发展，引发了缺陷下结构完整性评估问题。为定量评估增材制造Ti6Al4V合金试样疲劳性能，该文以断裂力学理论为基础，定义了与缺陷面积参数相关的等效裂纹尺寸，实现了该材料疲劳极限的准确预测。具体而言，基于极值统计理论量化分析了材料中的最大缺陷面积参数分布，并基于试验数据验证了提出的方法的准确性。

为量化缺陷对疲劳行为的影响，该研究基于缺陷面积参数估计增材制造Ti6Al4V合金的疲劳极限，并基于极值统计理论定义等效裂纹尺寸，图1为试验测得断口及裂纹形貌。具体而言，该等效裂纹尺寸可基于三个假设推导：（1）基于Sv和Rsm定义的周期性裂纹；（2）深度等于Sv的周向裂纹；（3）深度等于Sv的半圆裂纹。进一步将上述假设与Atzori, Lazzarin和Meneghetti提出理论模型（ALM模型）相结合，即可建立其裂纹扩展模型，其中材料参数基于Rigon和Meneghetti所提经验模型估计。最后，该文将模型预测疲劳极限与试验数据进行了对比，验证了所提模型的准确性。

图1 试样断面分析结果。(a-b)高应力幅试样断裂面及裂纹放大图；(c-d)高应力幅试样断裂面及裂纹放大图

表明形貌
具体而言，该文首先对比了基于原始数据与预处理数据求解的Sv,max，见图2所示，结果表明数据预处理对于Sv,max的影响可以忽略不计。根据求解的Sv,max，进一步计算了增材制造Ti6Al4V合金的疲劳裂纹扩展阈值，见图3所示。由于等效裂纹尺寸为试样标距段表面积的最大估计值，因此其与临界缺陷尺寸也具有较强的相关性，其中临界缺陷可通过分析裂纹起裂处的断口特征识别。由图3a可见，周期性裂纹假设与ALM模型的耦合给出了非保守的预测结果，部分数据点较理论曲线偏离度较高。由图3b可见，周向裂纹假设预测曲线与试验数据偏离较大，总体给出了偏保守的预测结果。由图3c可见，基于半圆裂纹假设与ALM模型预测精度较高，预测曲线与试验数据吻合度较高，验证了半圆裂纹假设与ALM模型耦合的合理性。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

图2 基于原始数据与预处理数据求解的Sv,max对比

图3 三种裂纹假设下预测裂纹扩展阈值对比。(a) 周期裂纹；(b) 周向裂纹；(c) 半圆裂纹

结论及应用前景

该文以断裂力学方法为基础，估算了增材制造Ti6Al4V合金的疲劳裂纹扩展阈值，并与试验结果进行了对比。具体而言，通过结合ALM模型与三种等效缺陷尺寸假设（即周期性裂纹、周向裂纹与半圆裂纹），实现了增材制造材料缺陷特性表征与疲劳寿命预测。主要结论如下：

（1）以缺陷特性表征中的块最大值法为抽样准则，量化了缺陷面积参数的最大极值分布，并将其与ALM模型相结合提出了增材制造材料疲劳极限分布预测模型；
（2）在三种裂纹假设中，半圆裂纹展现出最佳的预测效果，其预测裂纹扩展阈值曲线与试验数据吻合度较高；
（3）将一维粗糙度剖面测量值转化为等效二维面测量值的方法被证明是有效的，疲劳极限理论预测值仅比试验结果相差3.8%。