增材制造金屬材料的疲勞性能研究綜述

王德鑫

摘 ? 要：3D打印技術(shù)成為備受矚目的技術(shù)，發(fā)展出很多分支，特別是近年的金屬增材制造成為增材制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，在航空航天等各個領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計方式方面體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。本文首先介紹了金屬增材制造技術(shù)的分類及常用材料的特性，然后明確了疲勞特性在零件設(shè)計中的重要性，重點對金屬增材制造零件疲勞性能的影響因素進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，最后還討論了金屬增材制造技術(shù)存在的局限，指出了未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：金屬材料 ?疲勞性 ?研究綜述 ?增材制造

中圖分類號：TG456 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0085-03

1 ?增材制造技術(shù)簡介

增材制造（addictive manufacturing，以下簡稱AM）即為人們熟知的3D打印技術(shù)，其原理可概括為“分層制造，逐層疊加”。與傳統(tǒng)的制造方法如銑刨磨（通常被稱為減材制造）相比，AM具有很多優(yōu)勢，如無材料浪費、可制造復(fù)雜幾何形狀零件等。

金屬AM的類別包括：定向能量沉積（DED），粉末床熔敷（PBF）和薄板層壓（SL）。DED用于修理和翻新金屬零件及大規(guī)模制造，PBF用于生產(chǎn)需要高分辨率和嚴(yán)格的建造精度的復(fù)雜幾何形狀，而SL具有連接異種金屬以生產(chǎn)具有特定性能的部件的能力[1]。

2 ?增材制造材料的宏觀特性和微觀結(jié)構(gòu)

AM材料以光聚合物和熱塑材料為主，金屬AM由于面臨問題眾多，例如生產(chǎn)效率、質(zhì)量穩(wěn)定性、成本控制方面不能滿足商業(yè)化生產(chǎn)需求，導(dǎo)致其占比很小，但近年來，金屬AM在航空航天等領(lǐng)域的高速發(fā)展使其成為AM的一個發(fā)展方向。鈦及鈦合金可制造高性能零件，但傳統(tǒng)加工成本高、時間長，AM致力于解決這些問題，是金屬AM應(yīng)用最廣的材料，目前用于航空航天的Ti-6Al-4V正被廣泛研究[2]。

Ti-6Al-4V在室溫下由V穩(wěn)定的體心立方堆積β相和Al穩(wěn)定的密排六方堆積α相組成[3]。AM的Ti-6Al-4V具有精細(xì)的網(wǎng)狀組織，這是因為在AM過程中，材料經(jīng)歷復(fù)雜的熱循環(huán)，這涉及到高于熔化溫度的快速加熱和在熱源移動之后熔融材料的快速凝固，以及大量的重新加熱和重新冷卻，導(dǎo)致所形成微觀結(jié)構(gòu)不平衡，即AM材料常常表現(xiàn)出各向異性，這使得其微觀結(jié)構(gòu)的建模具有挑戰(zhàn)[4]。

3 ?疲勞性能分析

3.1 疲勞性能的研究價值

金屬AM零件在應(yīng)用中的關(guān)注點是其抗疲勞性，為了在零件中采用AM技術(shù)，疲勞載荷下的材料性能必須量化且可重復(fù)。布蘭德爾等人使用計算機斷層掃描技術(shù)來識別材料缺陷，并使用線性彈性斷裂力學(xué)軟件來模擬這些缺陷對AM Ti-6Al-4V疲勞壽命的影響[5]。這些表明斷裂力學(xué)的方法可用于評估AM金屬及合金的性能，對量化且評估AM零件材料性能都具有指導(dǎo)意義。評估疲勞性能的常用實驗是疲勞裂紋擴展和疲勞壽命實驗。疲勞裂紋擴展測試在帶有尖銳裂紋的預(yù)開缺口試樣上進(jìn)行，以確定給定載荷條件下的裂紋擴展速率[6]。疲勞壽命測試在光滑的樣品上以變化的軸向或彎曲交替應(yīng)力幅度進(jìn)行，以確定材料在失效之前可以承受的循環(huán)次數(shù)[7]。

總的來說，研究和理解AM材料在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞行為至關(guān)重要。

3.2 疲勞性能的影響因素

金屬AM零件疲勞特性的影響因素有內(nèi)部缺陷、表面粗糙度、制造參數(shù)等，這些因素共同影響著AM零件的疲勞性能。

3.2.1 制造參數(shù)

Sterling等人使用兩種不同的制造參數(shù)將Ti-6Al-4V的AM樣品與鍛造材料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)不同的加工參數(shù)會導(dǎo)致不同的機械性能，同時他們的軸向疲勞實驗表明，與鍛造材料相比，AM材料的壽命更短[8]。金屬AM采用的材料通常具有不同程度的質(zhì)量、孔隙率、清潔度、形狀和大小等，容易產(chǎn)生孔隙和缺乏熔合等缺陷。掃描間距、制造方向、激光（或其他能量源）功率、掃描速度等制造參數(shù)會對零件的疲勞性產(chǎn)生影響。

許多研究已經(jīng)證實了建造方向取向不同對金屬AM材料的拉伸和疲勞性能的影響[9]。Ali Fatemi等人觀察了在扭轉(zhuǎn)載荷的低周疲勞狀態(tài)下各種AM試樣的裂紋取向，發(fā)現(xiàn)所有失效裂縫都是水平的。他們表明盡管破壞平面與最大剪切平面重合，但對此最合理的解釋是破壞平面是垂直樣本構(gòu)建方向的弱平面[10]。

3.2.2 表面粗糙度

AM通常會導(dǎo)致金屬表面粗糙度增加[11]。Leuders等人表明AM的Ti-6Al-4V裂紋擴展行為和與傳統(tǒng)板材相比較，但是AM樣品粗糙表面為疲勞裂紋提供成核位置，跳過了裂紋形成這一過程，造成疲勞壽命與鍛造相比有所下降[12]。Sun等人研究了表面光潔度條件對AM的Ti-6Al-4V試樣力學(xué)性能的影響，顯示出蝕刻或機加工對試樣表面光潔度的顯著影響，通過增加表面光潔度可顯著提高疲勞壽命。Wycisk等人進(jìn)行的高周疲勞測試結(jié)果也表明，與原試樣狀態(tài)相比機加工試樣的疲勞極限要高得多，這些表明在不同的金屬AM工藝中，通過后續(xù)加工降低表面粗糙度會使疲勞壽命增加。

3.2.3 材料缺陷

在AM材料上進(jìn)行的軸向疲勞試驗分析表明，與鍛造的Ti-6Al-4V相比，孔隙率是導(dǎo)致較短的疲勞壽命的主要因素。除影響疲勞性能外，材料缺陷還會導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)的分散性增加，并且制造條件不同也會使數(shù)據(jù)中存在分散性，從而使疲勞性能評估變得相當(dāng)困難。研究表明，大多數(shù)樣品在高循環(huán)疲勞狀態(tài)下的裂紋取向為45°，表示最大主平面上的破壞。但是，有一項測試與這些觀察結(jié)果不一致，在垂直剪切面上發(fā)生了裂紋萌生和擴展，對此差異的合理解釋是該垂直平面中孔隙的方向和合并[10]。

3.2.4 總結(jié)

通過對疲勞性能影響因素的比較，我們得出表面光潔度和內(nèi)部缺陷都會影響材料的疲勞性能，而且發(fā)現(xiàn)通過機加工提高表面光潔度可能會將內(nèi)部缺陷帶到表面，對疲勞性能反而有不利影響。Edwards和Ramulu對機械加工和未機械加工的Ti-6Al-4V標(biāo)本進(jìn)行了單軸疲勞測試，結(jié)果表明，由于AM材料表面光潔度不理想，拉伸殘余應(yīng)力和孔隙率的存在，與鍛造材料相比，AM金屬疲勞性能降低75%。由此可得出結(jié)論：大多數(shù)情況下，AM材料疲勞性能并不理想。

4 ?疲勞性能改進(jìn)措施

4.1 HIP簡介

為了改善AM材料的疲勞性能，我們通常采用一些后續(xù)熱處理技術(shù)，其中最常應(yīng)用的是熱等靜壓工藝（Hot Isostatic Pressing，以下簡稱HIP）。HIP是使用高壓和高溫的聯(lián)合作用，來使AM零件的微觀結(jié)構(gòu)均勻，同時也可以使它們的基體致密化和消除殘余應(yīng)力。

有研究數(shù)據(jù)表明，通過熱等靜壓處理來使材料致密化可以改善疲勞性能，其值可與鑄造和鍛造材料媲美[13]。Leuders發(fā)現(xiàn)HIP處理則可以理想地封閉內(nèi)部孔，使組織粗化并減輕殘余應(yīng)力，從而使AM材料的抗疲勞性得到改善。此外，還有許多文獻(xiàn)中的研究也證實了HIP可以增強材料的疲勞性能[9]。我們得出結(jié)論，熱處理可以增加樣品的疲勞壽命，這歸因于微觀結(jié)構(gòu)的變化以及AM過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的減輕。

同時研究還表明，在較高應(yīng)力水平下未經(jīng)熱處理的機加工不會顯著延長疲勞壽命[14]。Kasperovich和Hausmann進(jìn)行的疲勞測試的比較表明，表面光潔度對于增強HIP樣品的疲勞性能仍然很重要[15]。根據(jù)他們的結(jié)果，與只進(jìn)行HIP相比，對HIP樣品進(jìn)行機加工來提高表面光潔度可使材料的疲勞強度提高一倍。所以無論何時，都應(yīng)該將HIP工藝視為一種熱處理方法來使用，并在機加工試樣之前進(jìn)行，因為它無法完全消除表面缺陷。

4.2 HIP存在的問題

雖然HIP應(yīng)用廣泛，但要將關(guān)于HIP的這些發(fā)現(xiàn)推廣到其他AM材料，還要考慮其他材料本身的性質(zhì)（例如破壞機理等）。Leuders等人進(jìn)行的一項研究使用的材料為L-PBF工藝制造的316L SS，該材料在HIP處理后仍表現(xiàn)出明顯的疲勞行為，這是由于Ti-6Al-4V的失效機制由空隙主導(dǎo)，采用HIP工藝后，而在循環(huán)載荷下316L SS的損傷演化受空隙影響并不大[16]。這說明HIP對于該材料來說不是最好的增加疲勞性能的方法，即HIP不具有普適性。同時還應(yīng)注意到HIP不能消除裂紋和夾雜物缺陷，也非適用于所有材料，因此更應(yīng)該注重的是提高AM件本身的質(zhì)量，僅把熱處理工藝作為輔助手段。為保證材料的表面光潔度，在任何一種材料上進(jìn)行HIP后，不再進(jìn)行任何熱處理。

5 ?挑戰(zhàn)與展望

截至目前，大部分有關(guān)AM金屬疲勞性能的研究都只考慮了軸向或彎曲載荷，在扭轉(zhuǎn)和多軸載荷條件下研究較少，所以我們無法全面理解AM材料的疲勞性能。因此，必須了解這些零件在扭轉(zhuǎn)和多軸載荷條件下的疲勞性能。

與鍛造相比AM可提供許多好處，但仍存在許多問題亟待解決，主要包括內(nèi)部缺陷，殘余應(yīng)力和粗糙表面等。在未來研究中，僅通過在某些關(guān)鍵位置改善質(zhì)量并減少缺陷，進(jìn)而在AM部件上提高抗疲勞性會更為經(jīng)濟，例如已經(jīng)有研究只將特定的激光參數(shù)設(shè)置用于表皮層，可以在不延遲生產(chǎn)的情況下獲得具有較好的表面質(zhì)量;或者考慮到將材料中的弱平面遠(yuǎn)離零件的加載方向，是提高AM零件疲勞性能的另一種解決方案[11]。

AM工藝是通過更改各種參數(shù)來創(chuàng)建具有相同幾何形狀的零件，所以將AM金屬中的加工參數(shù)與結(jié)構(gòu)和機械性能聯(lián)系起來的主要問題是所用加工參數(shù)信息的稀疏性和分散性。在未來需要進(jìn)行更多的實驗研究，以定量地關(guān)聯(lián)AM制造的零件的制造參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)和機械性能。

定向能量沉積有基于粉末和金屬絲兩大類。其中金屬絲技術(shù)的最大優(yōu)勢是沉積速度高、部件尺寸大、污染少且材料成本低[17]。由于金屬AM工藝很多，不同增材制造工藝所得零件性能也會有所差異，所以各工藝優(yōu)缺點的比較有很大的意義。在未來，研究各種AM工藝具有的特點，并建立不同工藝與所得材料性能的對應(yīng)關(guān)系，將成為大勢所趨。

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