增材制造金属疲劳性能研究:综述

来源：长三角G60激光联盟

南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室、前沿科学研究院、纳智能材料器件教育部重点实验室、航天学院和强度与结构完整性全国重点实验室的科研人员综述报道了增材制造金属疲劳性能的研究。相关论文以“A holistic review on fatigue properties of additively manufactured metals”为题发表在《Journal of Materials Processing Technology》上。

重点：
1.综述已公布的增材制造（AM）金属的最新疲劳数据。
2.比较和分析了影响AM金属疲劳性能的主要因素。
3.对AM金属的S-N和da/dN-∆K曲线进行数据提取。
4.由于制造工艺的原因，AM金属的疲劳性能表现出较大的分散性。

增材制造（AM）技术作为一种先进的技术，正在迅速发展。许多研究表明，AM金属的强度或其他机械性能可与传统制造的金属相媲美，甚至更胜一筹，但在循环或疲劳载荷下，AM金属的疲劳性能仍是一个棘手的问题。目前还缺乏关于AM金属疲劳性能和数据的全面概述。本文将对已发表的有关AM金属疲劳性能（S-N数据和疲劳裂纹扩展数据）的最新数据进行回顾。此外，还系统地概述了钛基、铝基、镍基、镁基合金、不锈钢和高熵合金等AM金属材料的疲劳性能。文中列出了上述金属、AM技术和影响因素（制造参数，如成型方向、加工参数和后处理）的疲劳性能数据摘要图和表格。最后对AM金属的疲劳性能和影响疲劳行为的主要因素进行了比较和批判性分析，从而为提高AM金属的疲劳性能提供了有价值的指导。

图1.增材制造金属的材料-加工-疲劳关系示意图。

图2.(a)AP&C Ti-6Al-4V粉末和(b)EOS Ti-6Al-4V粉末，(c)气体雾化粉末和(d)等离子体雾化粉末，以及(e)新Ti-6Al-4V粉末和(f)旧Ti-6Al-4V粉末的扫描电镜显微图。

图3.不同尺寸和缺口试样的几何形状。

图4.(a)旋转弯曲疲劳微型试样的载荷示意图和应力分布。(b)原位/原位RBF小型试样的疲劳数据与经过各种后热处理的AM合金（包括L-PBF、电子束粉末床熔融（PBF-EB）和电子束熔化（EBM））的疲劳数据进行比较。

图5.(a)无HIP和有HIP的EBMed Ti-6Al-4V显微结构。 (b)无HIP和有HIP的DMLSed Ti-6Al-4V显微结构。

图6.示意图描述了(a)喷丸强化（SP）。(b)强化持续时间和(c)目标表面压力增加显示了喷丸强化处理的效果。(d)从左到右，SP处理的常见效果包括增加表面粗糙度、诱导表层晶粒细化、硬化和诱导压缩残余应力。

图7.LDED制备的试样在LSP期间的冶金缺陷和残余应力演变示意图。(d)沿深度方向的整个微观结构示意图。

图8.(a)机加工试样与非机加工试样（非HIP材料）的疲劳特性对比。(b)经HIP处理的部件与表面未经机加工的非HIP处理部件的疲劳特性对比。(c)经机加工表面的HIP材料与加工表面和参考材料的疲劳性能比较。

图9. (a)WAAM和LSP工艺示意图。(b)不同处理后界面区域的EBSD分析。HT前、HT、HT +LSP的KAM图。(c) 显微硬度曲线。

图10.(a)缺乏熔合缺陷；(b)锁孔缺陷。(c)球化颗粒。

图11.SLM AlSi10Mg的微观结构。

图12.在135 MPa下测试的L-PBF AB（a-e）、HIP（f、g）、OA2（h、i）Al-Mg-Sc-Zr样品的疲劳断裂面。

图13.SLM IN 718试样的疲劳寿命取决于其相对于成型方向的取向。

图14.SLM制造的Inconel 718的缺口疲劳特性。

图15.(a)通过空心搅拌工具挤压实心棒的MELD工艺示意图。(b)在HY80衬底上沉积的 IN625样品。(c)用于沉积IN625和原料IN625试样的疲劳试样。

图16.激光快速制造（LRM）Inconel 625 CT 测试样品的步骤顺序。

图17.综述中研究的增材制造金属、AM和后处理、疲劳性能（例如SLM Ti-6Al-4V）和挑战。

综上所述，科研人员从疲劳寿命、疲劳极限和FCG三个方面回顾了AM金属疲劳特性的最新进展。本工作中提到的增材金属包括常用的钛合金（如TC4、TC17、TC18、TA15、CP Ti等）、铝合金（如AlSi10Mg、AlSi12、AlSi7Mg、AlMgScZr 和 AlMgMn）、不锈钢（如316L、15-5 PH和17-4H）、镍基合金（如IN718、IN625等）、镁基合金和高熵合金。为全面了解AM金属的加工-材料-疲劳关系，系统研究了颗粒、结构、制造加工参数（如AM技术、激光功率和速度、成型方向和扫描策略）、后处理（如LP、SP、LSP、机加工和USMAT）、HT、HIP和高温对AM金属疲劳特性的影响。对大量疲劳数据（S-N数据和da/dN-ΔK数据）进行了提取和分类，其中大部分数据是按照传统金属疲劳测试标准获得的。由于AM缺乏标准化，导致疲劳数据相当分散。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118425