3D打印金屬材料疲勞實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究綜述

葉萬(wàn)蓉 曾國(guó)偉 閆相木 邱乙 張博文

(武漢科技大學(xué)理學(xué)院 湖北武漢 430065)

目前金屬3D 打印的方法按輸出能量來(lái)劃分主要有激光、電弧、電子束等[1-4]。激光3D打印技術(shù)包括以同步材料送進(jìn)為主要技術(shù)特征的激光立體成形技術(shù)和以粉末床（Powder Bed Fusion，PBF）為主要技術(shù)特征的選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM)技術(shù)等，選區(qū)激光熔化技術(shù)首先通過(guò)專(zhuān)用軟件對(duì)零件三維數(shù)模進(jìn)行切片分層，獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù)，然后利用高能激光或電子束根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)逐層選擇性地熔化金屬粉末，之后通過(guò)逐層鋪粉、逐層熔化凝固堆積的方式，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體金屬零件的制造，具有成形零件精度高、較適應(yīng)于打印小件、成形零件的力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外激光3D打印技術(shù)的金屬材料一般有工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。

為了充分利用金屬3D 打印技術(shù)，必須了解3D 打印金屬零件的疲勞行為。疲勞失效中由于循環(huán)應(yīng)力引起的損傷，是最常見(jiàn)的失效模式之一。例如：飛機(jī)或汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的Ti6Al4V壓氣機(jī)和渦輪葉片受到頻率大于1 kHz 的高頻循環(huán)載荷。疲勞性能的評(píng)估通常采用應(yīng)力-壽命（S-N）或應(yīng)變-壽命（ε-N）方法，其中N表示循環(huán)失效。

金屬和合金在3D 打印技術(shù)中的使用使得工程師能夠制造具有高力學(xué)性能的復(fù)雜形狀零件。然而，3D打印過(guò)程中復(fù)雜的物理化學(xué)冶金狀態(tài)導(dǎo)致了表面和內(nèi)部缺陷、孔隙率，而熔化和凝固過(guò)程中則會(huì)產(chǎn)生各向異性的組織，導(dǎo)致各向異性的性能。因此，3D 打印金屬基材料力學(xué)行為需要為3D 打印構(gòu)件的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提供全面的認(rèn)識(shí)。在這些缺陷中，孔隙率、表面粗糙度和殘余應(yīng)力是影響HCF強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。因此，研究缺口、缺陷和高溫共同作用下的3D打印不銹鋼高低周疲勞力學(xué)性能對(duì)于3D 打印部件的服役性能有著重要的工程應(yīng)用價(jià)值。該文擬結(jié)合材料制造因素，對(duì)鈦合金、不銹鋼和鋁合金這3 類(lèi)材料的疲勞斷裂文獻(xiàn)進(jìn)行分析，為3D打印金屬的疲勞破壞機(jī)理研究提供依據(jù)。

1 鈦合金

Ti-6Al-4V 等鈦合金由于具有較高的強(qiáng)重比、優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性，在航空航天零部件和生物醫(yī)學(xué)植入物的生產(chǎn)中都得到了廣泛應(yīng)用。在航空航天工業(yè)中，拓?fù)鋬?yōu)化可以用來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，可以減輕結(jié)構(gòu)件的重量，從而有效地提高燃油效率。在生物醫(yī)藥行業(yè)，3D 打印為病人量身定做定制零件，這些零件更好地適合不同人體。PEGUES J等人[1]研究零件尺寸與表面粗糙度、表面積和尺寸對(duì)激光粉床熔合（L-PBF）試件在建成條件下疲勞行為的影響，直接將這些試件性能與不同零件尺寸對(duì)應(yīng)的疲勞性能相關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，疲勞行為對(duì)零件直徑比表面積更敏感。直徑為4.90 mm或以下的零件表現(xiàn)出較高的表面粗糙度，隨著零件直徑的減小，表面粗糙度引起的載荷與名義應(yīng)力幅值的差值增大，導(dǎo)致高周疲勞數(shù)據(jù)存在明顯的分散性。

3D打印過(guò)程所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)一般為馬氏體結(jié)構(gòu)（由于冷卻速度較高），先天就具有表面粗糙度、殘余應(yīng)力和孔洞。后加工處理通常是為了降低表面粗糙度，而熱處理采用熱等靜壓（HIP），可以降低殘余應(yīng)力，將脆弱的馬氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦g性的結(jié)構(gòu)，并減少孔洞的尺寸。為了避免表面粗糙度對(duì)失效壽命的影響，KAHLIN M 等人[2]對(duì)試件表面進(jìn)行了拋光處理。通過(guò)增量步驟試驗(yàn)獲得了材料塑性循環(huán)曲線(xiàn)。為了驗(yàn)證孔洞的存在，考察晶粒的取向和分布，觀察了材料的顯微組織。對(duì)試件進(jìn)行了單軸和非比例應(yīng)變路徑的應(yīng)變控制試驗(yàn)。疲勞壽命、硬化-軟化曲線(xiàn)、循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和裂紋等已與有關(guān)試件品種進(jìn)行了分析和討論。

非比例載荷定義為在循環(huán)過(guò)程中主應(yīng)力方向發(fā)生變化的載荷，由于多個(gè)滑移帶的激活和附加硬化而導(dǎo)致疲勞壽命降低。機(jī)械部件在過(guò)載或應(yīng)力集中作用下的疲勞失效主要受循環(huán)塑性變形控制。因此，研究材料在多軸非比例加載下的塑性響應(yīng)對(duì)于準(zhǔn)確設(shè)計(jì)承受上述條件的構(gòu)件至關(guān)重要。BRESSAN S等人[3]對(duì)試件進(jìn)行了單軸和非比例應(yīng)變路徑的應(yīng)變控制試驗(yàn)，研究了層取向、卸應(yīng)力熱處理和缺陷對(duì)低周應(yīng)變控制多軸疲勞和塑性行為的影響。

疲勞裂紋擴(kuò)展往往代表疲勞壽命的顯著部分?；旌夏Ｊ狡诹鸭y擴(kuò)展可以是多軸載荷或組合應(yīng)力條件下總疲勞壽命的顯著部分。當(dāng)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂紋方向發(fā)生變化時(shí)，其速率也可能發(fā)生變化。要充分認(rèn)識(shí)Ti-6Al-4V 合金的疲勞失效機(jī)理，有必要對(duì)其疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，3D打印鈦合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率不同于鍛態(tài)和鍛態(tài)合金，原因在于其在其疲勞裂紋擴(kuò)展速率和生長(zhǎng)軌跡形狀方面具有獨(dú)特的組織和層數(shù)。WANG X Y 等人[4]建立了考慮局部屈服強(qiáng)度和組織異化效應(yīng)的修正FCGR小裂紋擴(kuò)展模型。利用原位SEM 觀察了小裂紋的擴(kuò)展過(guò)程和路徑。詳細(xì)討論了顯微組織對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響，特別是對(duì)穿晶裂紋擴(kuò)展速率的影響，提出了一種改進(jìn)的CTOD模型用于小裂紋FCGR預(yù)測(cè)，將該模型的性能與現(xiàn)有模型進(jìn)行了比較。

雖然裂紋擴(kuò)展機(jī)制常在單軸加載和Ⅰ型裂紋擴(kuò)展下進(jìn)行研究，但當(dāng)構(gòu)件在服役過(guò)程中受到多軸載荷作用時(shí)，萌生的疲勞裂紋可向不同方向擴(kuò)展，出現(xiàn)混合模式裂紋擴(kuò)展，當(dāng)存在缺口等壓力集中時(shí)，這種情況可能變得更加復(fù)雜。BENEDETTI M等人[5]研究了鑄態(tài)和機(jī)加工表面退火激光粉末床熔合（LBPBF）Ti-6Al-4V 試樣的單軸缺口疲勞和裂紋擴(kuò)展行為。利用已建立的表面條件建立了尖V 形缺口試樣和鈍缺口試樣，并利用圓柱桿加工了缺口試樣。研究發(fā)現(xiàn)，缺口疲勞強(qiáng)度主要受缺口根部附近最大缺陷的支配。缺口和應(yīng)力集中部位能顯著影響零件的承載能力，在服役載荷條件下會(huì)導(dǎo)致早期和意外的失效。MOLAEI R 等人[6]研究了兩種3D 打印合金，包括Ti-6Al-4V 和17-4PH 不銹鋼的缺口多軸疲勞行為，在未加工和已加工表面條件下以及有無(wú)HIP 處理情況下，采用基于臨界平面的方法和基于斷裂力學(xué)的方法對(duì)多軸疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并對(duì)不同載荷條件下的疲勞壽命進(jìn)行估算。

2 不銹鋼

不銹鋼可在固溶處理?xiàng)l件下生產(chǎn)，由于其碳濃度較低，易于加工，經(jīng)適當(dāng)熱處理后，具有較高的拉伸/沖擊強(qiáng)度、斷裂韌性和耐腐蝕性等優(yōu)異的力學(xué)性能，因此，廣泛應(yīng)用于制作航空工業(yè)、核工業(yè)、海軍工業(yè)和化學(xué)工業(yè)中高強(qiáng)度和耐腐蝕性的部件。

17-4PH 型不銹鋼具有高的抗應(yīng)力腐蝕性能和高的斷裂韌性，是應(yīng)用最廣泛的PH 馬氏體不銹鋼之一。17-4PH不銹鋼的力學(xué)性能是通過(guò)回火處理來(lái)定制的，也稱(chēng)為時(shí)效或時(shí)效硬化。CARNEIRO L 等人[7]在環(huán)境空氣中對(duì)常規(guī)制造和3D打印的17-4PH不銹鋼進(jìn)行了靜態(tài)和疲勞試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)兩種工藝條件下的抗拉強(qiáng)度相近，但3D 打印不銹鋼的塑性明顯低于常規(guī)制造不銹鋼。兩種材料的應(yīng)變-壽命疲勞曲線(xiàn)都表現(xiàn)出從低周疲勞區(qū)到高周疲勞區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷和孔隙，導(dǎo)致3D 打印不銹鋼的疲勞性能和延展性減弱。

LEE S J 等人[8]采用激光束粉末床熔合（LB-PBF）技術(shù)制造304L不銹鋼（304L不銹鋼）零件，研究了未加工和機(jī)械加工拋光兩種不同表面條件下的疲勞行為。利用數(shù)字三維顯微鏡進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，并提供了各種表面粗糙度參數(shù)的值，評(píng)估表面粗糙度和載荷對(duì)LB-PBF 304L不銹鋼循環(huán)變形和疲勞行為的影響。通過(guò)嚴(yán)格的試驗(yàn)方法，采用事后斷裂分析和經(jīng)典疲勞建模方法，研究了應(yīng)力和應(yīng)變疲勞試驗(yàn)對(duì)表面粗糙度的敏感性。

在應(yīng)用于金屬材料的3D打印技術(shù)中，選擇性激光熔化（SLM）因其接受的材料范圍大、產(chǎn)生的功能部件高而備受關(guān)注。表面粗糙度是SLM 成功的關(guān)鍵因素。建成狀態(tài)下SLM零件表面粗糙度較高。而階梯臺(tái)階效應(yīng)、部分熔融顆粒粘在表面、不穩(wěn)定的熔池加劇了SLM鋼的表面粗糙度。LIANG X 等人[9]提出了一種擴(kuò)展的顯微結(jié)構(gòu)敏感有限元建模方法，并將其應(yīng)用于3D打印316L。建立的數(shù)值模型同時(shí)考慮了表面缺陷和典型微結(jié)構(gòu)屬性。由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果大多反映了缺陷和微觀組織的綜合競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，因此采用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)區(qū)分這些控制參數(shù)。結(jié)果表明，未融合缺陷是高頻疲勞失效的最有害因素。未融合缺陷在織構(gòu)、粗糙度以及晶粒尺寸和形貌上占主導(dǎo)地位。顯微結(jié)構(gòu)織構(gòu)具有顯著的影響。發(fā)現(xiàn)優(yōu)先取向?qū)LM 制造的316L 疲勞行為的影響，使耐久極限降低10%。當(dāng)表面或附近存在未融合缺陷時(shí)，制備試樣測(cè)得的粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響。

疲勞裂紋擴(kuò)展行為及其對(duì)微結(jié)構(gòu)的依賴(lài)是基于損傷容限方法預(yù)測(cè)金屬構(gòu)件使用壽命的重要因素。因此，NEZHADFAR P D 等人[10]研究L-PBF 方法制造的17-4PH 不銹鋼的與微結(jié)構(gòu)相關(guān)的開(kāi)裂行為。選擇了兩種熱處理工藝，一種提高強(qiáng)度，另一種提高延伸率，得到不同的組織特征。繼而研究了微結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響，并將17-4PH的疲勞裂紋擴(kuò)展行為與傳統(tǒng)鍛造件2 的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，隨著裂紋沿著柱狀晶相對(duì)缺口方向垂直拉長(zhǎng)，大部分穿晶裂紋擴(kuò)展行為由II 型裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚?沿晶裂紋擴(kuò)展的混合模式。

朱繼宏等人[11]以3D 打印316 鋼為對(duì)象，通過(guò)仿真手段研究其高周疲勞性能，研究表明循環(huán)載荷下滑移帶與晶界處的裂紋萌生是3D 打印316 鋼材料發(fā)生高周疲勞的主要原因。易敏等人[12]針對(duì)激光選區(qū)熔合技術(shù)，提出了集成離散元法、非等溫相場(chǎng)模型、晶體塑性有限元法的順序耦合計(jì)算框架。上述工作證明，晶體塑性有限元法（CPFEM）能夠預(yù)測(cè)多晶材料在單調(diào)、蠕變和疲勞載荷條件下的全局和局部應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。

3 鋁合金

鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、可焊性好等特點(diǎn)，由鋁合金組成的工程構(gòu)件傳統(tǒng)上采用鑄造、鍛造、擠壓、粉末冶金等工藝。近年來(lái)，隨著3D 打?。ˋM）技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始采用選擇性激光熔化（SLM）工藝制備鋁硅基合金（AlSi），特別是AlSi10Mg，使其適用于汽車(chē)、航空航天、機(jī)械及工裝、國(guó)防、建筑等行業(yè)。

MUHAMMAD M 等人[13]生成4 種不同LB-PBF 鋁合金的拉伸和疲勞數(shù)據(jù)，在未加工和已加工的表面條件下對(duì)這些合金的疲勞行為進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，觀察到的拉伸和疲勞行為將從熱處理后的微觀組織來(lái)解釋。結(jié)果表明，對(duì)于未加工3D 打印鋁合金試樣，表面微缺口是疲勞裂紋萌生的原因。然而，對(duì)于已加工試件，裂紋起源于體積缺陷，已加工試樣的體積缺陷周?chē)Я＜?xì)小，更耐疲勞裂紋萌生。研究熱處理和構(gòu)筑取向?qū)?D打印的AlSi10Mg拉伸和疲勞行為的影響。

近年來(lái)，隨著安全要求的不斷提高，越來(lái)越多的工程構(gòu)件被設(shè)計(jì)成承受107個(gè)循環(huán)（稱(chēng)為極高周疲勞，VHCF）以上的疲勞壽命，甚至高達(dá)108～109個(gè)循環(huán)。對(duì)于低周疲勞，只需消耗少量的加載循環(huán)就可萌生裂紋。然而，在高周和極高周疲勞工況下，超過(guò)80%～90%的疲勞壽命將消耗在裂紋萌生階段，這與低周疲勞工況完全不同。

疲勞壽命分布的統(tǒng)計(jì)極值主要基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高周和極高周疲勞壽命存在分散性，這是由于微觀結(jié)構(gòu)和缺陷分布的變化造成的。然而，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集來(lái)重建微結(jié)構(gòu)非常緩慢和復(fù)雜。提高SLM 成形AlSi10Mg 疲勞性能預(yù)測(cè)效率的最佳途徑之一是采用先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)，即晶體塑性有限元（CPFE）框架。CPFE方法使我們能夠用較好的近似實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法來(lái)模擬金屬結(jié)晶系統(tǒng)中尺度行為的非線(xiàn)性物質(zhì)響應(yīng)。

ZHANG J M等人[14]基于CPFE模擬研究了3D打印Al Si10Mg 合金的高周和極高周疲勞行為。目的是了解SLM 成形取向和缺陷對(duì)AlSi10Mg 合金疲勞性能的影響及其機(jī)理。結(jié)果表明，成形取向與應(yīng)力比對(duì)SLM成形AlSi10Mg的疲勞性能有很大影響，缺陷顯著降低了試件的高周和極高周疲勞性能。

4 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，目前針對(duì)3D打印金屬材料疲勞壽命研究，主要圍繞鈦合金、不銹鋼和鋁合金展開(kāi)，針對(duì)隨機(jī)性和失效模式，大多數(shù)研究工作都是基于試驗(yàn)結(jié)果，采用缺陷幾何和位置參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)來(lái)表征3D 打印金屬材料應(yīng)力強(qiáng)度因子、疲勞極限，從而預(yù)測(cè)疲勞性能。兼顧高計(jì)算效率與高保真的數(shù)值模擬工作開(kāi)展得較少，因此，有必要建立考慮増材制造金屬微觀組織結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，進(jìn)而研究其損傷演化、裂紋擴(kuò)展與壽命估算與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)規(guī)律。