增材制造金屬材料的疲勞性能研究進(jìn)展

代俊林，吳世品,2*，張宇，王雪嬌，馬強(qiáng)

輕合金成形

增材制造金屬材料的疲勞性能研究進(jìn)展

代俊林1，吳世品1,2*，張宇1，王雪嬌1，馬強(qiáng)3

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300072；2.天津大學(xué) 現(xiàn)代連接技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心，天津 300350；3.天津金橋焊材集團(tuán)有限公司，天津 300399）

金屬增材制造作為前沿?zé)狳c(diǎn)制造技術(shù)之一，近年來在各種重要工業(yè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用日益廣泛。利用增材制造技術(shù)制備金屬材料的過程中，不可避免會造成材料表面粗糙、氣孔、未熔合等缺陷，雖然工藝技術(shù)的改進(jìn)可以在一定程度上減小缺陷程度，但至今仍無法完全消除這些缺陷。增材制造金屬材料的過程中，缺陷部位通常會成為應(yīng)力集中源誘發(fā)疲勞裂紋的形核，造成金屬材料的疲勞壽命下降。首先從表面質(zhì)量、內(nèi)部缺陷及微觀結(jié)構(gòu)等方面闡述了增材制造金屬材料疲勞性能的影響因素；其次從宏觀與微觀角度概括了疲勞裂紋萌生/擴(kuò)展機(jī)理的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展；總結(jié)了熱處理、表面優(yōu)化、電磁輔助以及超聲輔助等疲勞延壽技術(shù)的研究進(jìn)展；最后討論了基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的疲勞壽命評估模型，同時展望了機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)在增材制造金屬材料領(lǐng)域的應(yīng)用前景，為推動增材制造金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用提供了借鑒與參考價值。

增材制造；金屬材料；缺陷；疲勞壽命；疲勞裂紋；勞壽命評估

增材制造（Additive Manufacturing，AM）作為現(xiàn)代制造領(lǐng)域前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)之一，是一種通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備建立數(shù)字模型并逐層堆積材料用以完成最終所需產(chǎn)品的現(xiàn)代制造工藝方法[1-2]。增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無模生產(chǎn)，滿足近凈成形現(xiàn)代化產(chǎn)品零件的制造，效率高，工時功耗低，符合綠色制造的發(fā)展理念[3-4]。目前，增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種關(guān)鍵材料、零部件和設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與開發(fā)[5-7]。

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，增材制造金屬材料的靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能與鍛件性能基本相當(dāng)，甚至優(yōu)于鍛件，但增材制造金屬材料的疲勞性能與鍛件還有一定差距，且疲勞壽命分散性較大。相關(guān)研究表明，增材制造金屬材料的疲勞性能與其表面質(zhì)量、內(nèi)部缺陷、微觀組織結(jié)構(gòu)及殘余應(yīng)力狀態(tài)等因素密切相關(guān)[8]。利用增材制造技術(shù)制備金屬材料時不可避免地會產(chǎn)生夾渣、氣孔、微裂紋等缺陷，當(dāng)這些含有缺陷的金屬材料在服役過程中，承受交變載荷時，極易引起疲勞破壞。此外，增材制造是一個急熱急冷的過程，制造的金屬成形件因受到外部的拘束，會產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力[9]，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力較大時，增材制造金屬材料可能會出現(xiàn)裂紋和變形，導(dǎo)致整個構(gòu)件報(bào)廢；當(dāng)內(nèi)應(yīng)力較小時，成形初期增材制造金屬材料的變形不明顯，但隨著其服役時間的增加內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放或者重分布，可能會誘發(fā)疲勞開裂[10]。為了更好地闡述增材制造金屬材料的疲勞性能研究現(xiàn)狀，本文從增材制造金屬材料疲勞性能的影響因素、疲勞裂紋萌生/擴(kuò)展機(jī)理、疲勞延壽技術(shù)和疲勞壽命評估等方面闡述了研究進(jìn)展，期望為增材制造金屬材料疲勞壽命的提高和發(fā)展提供借鑒與參考。

1 增材制造金屬材料常用技術(shù)

根據(jù)增材制造過程采用的熱源不同，金屬增材制造技術(shù)主要分為：激光增材制造技術(shù)、電弧增材制造技術(shù)和電子束增材制造技術(shù)等[11-13]。

激光增材制造技術(shù)又被稱為激光成形3D打印技術(shù)，其工作原理是先通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)所需的三維模型，然后將三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分層，最后再通過激光束產(chǎn)生的高能量將材料熔化，按照在計(jì)算機(jī)上設(shè)定的程序逐層堆積生成三維實(shí)體[14]。激光增材制造技術(shù)具有靈活性高、運(yùn)行空間范圍廣等優(yōu)勢，通常用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度高的零件，同時又可以保證金屬零件的成形質(zhì)量、加工效率以及制造成本[15]。圖1所示為常用的激光增材制造原理圖，其中圖1a為激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM），圖1b為激光熔化沉積技術(shù)（LMD）。

電弧增材制造技術(shù)是指利用電弧為熱源，按照特定加工程序?qū)崿F(xiàn)逐層熔覆。根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助構(gòu)建的線-面-體三維數(shù)字模型，采用電弧作熱源將絲材熔化，然后在規(guī)劃的路徑上層層堆積，最終形成三維實(shí)體的金屬零件。常用的電弧增材制造技術(shù)包括：熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、氬弧焊（TIG）、TIG-MIG復(fù)合焊、冷金屬過渡焊（CMT）和等離子弧焊（PAW）等，其原理如圖2所示。電弧增材制造技術(shù)的優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)大尺寸、形狀不太復(fù)雜的金屬構(gòu)件一體化成形，生產(chǎn)效率相對較高，成本低，性能穩(wěn)定[17]。與激光增材制造技術(shù)相比，電弧增材制造的熱源能量大而不集中，熔池尺寸大，表面質(zhì)量和精度相對較低。

圖1 激光增材制造原理圖[16]

圖2 電弧增材制造原理圖[18]

電子束增材制造技術(shù)的工作環(huán)境是真空條件下，以高能量的電子束快速熔化金屬粉末或者金屬絲，經(jīng)過層層堆積直至金屬構(gòu)件加工完成[19]，其原理如圖3所示。與激光增材制造技術(shù)和電弧增材制造技術(shù)相比，利用電子束增材制造技術(shù)制造的零件缺陷少、致密度高，且殘余應(yīng)力水平相對較低，但是成本相對較高。

圖3 電子束增材制造原理圖[20]

2 增材制造金屬材料疲勞性能的影響因素

2.1 表面質(zhì)量對疲勞性能的影響

增材制造金屬材料表面缺陷一般包括成型件表面粗糙度過大、表面裂紋及變形等[21-22]，在增材制造過程中熔池失穩(wěn)、復(fù)雜的熱循環(huán)、有害殘余應(yīng)力等因素均會導(dǎo)致金屬材料表面缺陷的產(chǎn)生[23]。當(dāng)增材制造金屬材料存在表面缺陷時，缺陷處極易成為疲勞裂紋源，在交變載荷下，極易發(fā)生疲勞破壞，降低成形件的疲勞壽命。李雯哲等[24]通過探討增材制造中高強(qiáng)鋁合金的缺陷對其力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)鋁合金粉末的激光反射率高，導(dǎo)致激光熔融過程中用于熔化合金粉末顆粒的激光能量不足，相鄰層之間的熔融重疊不充分，造成增材制造高強(qiáng)鋁合金表面產(chǎn)生未熔合缺陷，嚴(yán)重影響其疲勞性能。

增材制造金屬材料的表面粗糙程度大小也是影響金屬材料疲勞性能的重要因素之一。粗糙表面為疲勞裂紋提供了形核位置，加速了疲勞裂紋的萌生/擴(kuò)展，導(dǎo)致金屬材料疲勞壽命下降。Sterling等[25]和Razavi等[26]測試激光增材TC4鈦合金疲勞性能時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TC4鈦合金表面粗糙度過大時，試樣表面容易產(chǎn)生疲勞裂紋，疲勞性能大幅下降；反之，當(dāng)增材制造金屬材料表面粗糙度較小時，其疲勞性能顯著改善。Yu等[27]研究選擇性激光熔化Ti-6Al-4V合金的疲勞性能的影響因素，發(fā)現(xiàn)通過超聲沖擊、拋光和車削等方式處理合金試件表面后，光滑的表面會產(chǎn)生較大殘余壓應(yīng)力，有效抑制了疲勞裂紋的萌生/擴(kuò)展，延長了Ti-6Al-4V合金材料疲勞壽命。如圖4所示，圖4a～e是增材制造Ti-6Al-4V合金試樣表面不同粗糙度的示意圖，圖4f是不同粗糙度下試樣對應(yīng)的疲勞循環(huán)失效次數(shù)示意圖，結(jié)果顯示，#1試件表面粗糙度最高，對應(yīng)的疲勞壽命最短；#5試件經(jīng)過加工，表面粗糙度最低，對應(yīng)的疲勞壽命最長。

圖4 激光熔化Ti-6Al-4V合金試樣表面粗糙度與對應(yīng)循環(huán)失效次數(shù)示意圖[27]

2.2 內(nèi)部缺陷對疲勞性能的影響

在增材制造過程中，如果工藝參數(shù)匹配不合理，金屬材料很容易產(chǎn)生氣孔、層間未熔合、氧化夾雜物和微裂紋等典型的內(nèi)部缺陷[28]。圖5為金屬激光增材制造中熔池、氣孔以及幾種典型內(nèi)部缺陷的微觀示意圖，其中氣孔類缺陷主要是熔池金屬液流中氣泡未能及時逸出而形成的；未熔合缺陷主要是由于道間重疊不足造成的。未熔合缺陷相對于氣孔缺陷，形狀更加復(fù)雜，尺寸更大，更容易引起疲勞失效。

當(dāng)增材制造金屬構(gòu)件存在內(nèi)部缺陷時，在缺陷處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，在服役過程中應(yīng)力集中處易出現(xiàn)疲勞裂紋，嚴(yán)重影響金屬材料疲勞性能，且疲勞壽命的分散性較大[30]。楊薇等[31]采用激光選區(qū)熔化成型技術(shù)制備了燃油噴嘴，測試其性能時發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的內(nèi)部缺陷處應(yīng)力集中點(diǎn)，在外界載荷作用下，此處的應(yīng)力會在短時間內(nèi)迅速增大，當(dāng)應(yīng)力增加到一定程度后，在應(yīng)力集中點(diǎn)處萌生疲勞裂紋并迅速擴(kuò)展，最后發(fā)生疲勞斷裂。Edwards等[32]研究了選區(qū)激光燒結(jié)TC4鈦合金的疲勞性能，研究表明增材制造金屬材料內(nèi)部氣孔體缺陷的存在，一方面會減小焊縫的真實(shí)截面積、降低氣密性，另一方面會引起局部區(qū)域應(yīng)力集中，進(jìn)而誘發(fā)疲勞裂紋的萌生/擴(kuò)展，導(dǎo)致疲勞壽命下降。Fatemi[33]和Stwora[34]研究了增材制造Ti-6Al- 4V合金的疲勞性能，并總結(jié)了增材制造中不同缺陷引起的不同類型的疲勞裂紋，如圖6所示，圖6a為內(nèi)部氣體逸出形成的近圓形氣孔；圖6b為近圓形氣孔周圍產(chǎn)生的疲勞裂紋；圖6c為增材制造Ti-6Al-4V中的孔洞；圖6d為增材制造Ti-6Al-4V中的球狀凸起；圖6e和圖6f為未熔顆粒引起的LOF缺陷；圖6g為LOF缺陷引起的疲勞裂紋；圖6h為增材制造Ti-6Al-4V樣品各向異性和球化現(xiàn)象；圖6i為α相引起的疲勞裂紋。

圖6 增材制造Ti-6Al-4V合金缺陷及其疲勞裂紋存在類型[33-34]

2.3 微觀組織對疲勞性能的影響

增材制造金屬材料的疲勞性能不僅與表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷有關(guān)，微觀組織特征對疲勞性能也有一定的影響。當(dāng)金屬材料中存在不均勻的組織結(jié)構(gòu)、元素偏析、孿晶界、織構(gòu)、夾雜物和粗大晶粒等微觀組織特征時，疲勞裂紋可能會在這些區(qū)域優(yōu)先形核，最后形成疲勞裂紋。增材制造過程存在極大的溫度梯度和冷卻速率，容易引起不均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)，同時會產(chǎn)生微觀殘余應(yīng)力。微觀殘余應(yīng)力一般在不均勻組織結(jié)構(gòu)、特殊晶界/相界或織構(gòu)處較大，隨著殘余應(yīng)力的積累，晶粒發(fā)生變形，甚至開裂，從而影響金屬材料的疲勞性能。此外，如果增材制造金屬材料的組織形貌和取向不同，也會引起疲勞性能的各向異性，導(dǎo)致金屬材料的抗疲勞性能降低。黃锨航等[35]發(fā)現(xiàn)通過定向能量沉積增材制造雙相不銹鋼的微觀組織取向性不同時，其疲勞性能呈現(xiàn)各向異性。其中，其疲勞性能呈現(xiàn)各向異性。其中，構(gòu)筑方向疲勞極限為300～325 MPa，而沉積方向上疲勞極限僅為175 MPa，較構(gòu)筑方向的疲勞極限降低了45%左右。從圖7可以看出，疲勞裂紋相對于晶界奧氏體的擴(kuò)展路徑而言，構(gòu)筑方向和沉積方向疲勞性能的巨大差異是由于層間熔合區(qū)以及沉積層的反復(fù)加熱形成的二次奧氏體的分布和取向與裂紋方向不同，導(dǎo)致疲勞裂紋萌生/擴(kuò)展的阻力不同造成的。其中構(gòu)筑方向上奧氏體的取向與裂紋方向垂直，對疲勞裂紋萌生/擴(kuò)展的阻力更大，疲勞性能較好。

3 增材制造金屬材料疲勞裂紋萌生/擴(kuò)展

3.1 疲勞裂紋萌生/擴(kuò)展的宏觀表現(xiàn)

疲勞裂紋的演變一般分為3個階段，第I階段裂紋萌生，第II階段裂紋擴(kuò)展，第III階段瞬時斷裂。研究疲勞裂紋的萌生/擴(kuò)展機(jī)理有助于從根源上改善增材制造金屬材料的疲勞性能。從宏觀角度分析，若增材制造金屬材料存在表面成型質(zhì)量不良、表面粗糙度大、孔隙率高、氣孔、未熔合等缺陷時，這些宏觀缺陷極易引起應(yīng)力集中，造成構(gòu)件疲勞失效。增材制造金屬構(gòu)件在進(jìn)行低周或者高周疲勞試驗(yàn)時，隨著循環(huán)周期的增加，在缺陷處的應(yīng)力不斷增加，疲勞裂紋優(yōu)先在缺陷處萌生，裂紋萌生后逐步擴(kuò)展，最后發(fā)生疲勞斷裂失效。疲勞裂紋萌生的位置是表面缺陷和內(nèi)部缺陷競爭的結(jié)果，當(dāng)表面存在明顯缺陷而內(nèi)部缺陷不顯著時，一般從表面缺陷處萌生疲勞裂紋；反之，當(dāng)內(nèi)部缺陷顯著而表面質(zhì)量良好時，疲勞裂紋從內(nèi)部缺陷處萌生。

圖7 構(gòu)筑方向和沉積方向裂紋擴(kuò)展示意圖[35]

周宇豪等[36]研究發(fā)現(xiàn)，增材制造金屬材料的孔隙率較低時，疲勞裂紋一般從表面粗糙的頂部產(chǎn)生，當(dāng)高孔隙率高時，疲勞裂紋并未從最大拉應(yīng)力的底部位置萌生，而是從內(nèi)部的未熔合部位產(chǎn)生。增材制造金屬材料構(gòu)件的疲勞壽命關(guān)鍵影響因素是孔隙率還是表面粗糙度，主要取決于孔隙率是否達(dá)到臨界值[37]。當(dāng)孔隙率高于臨界值且表面粗糙度達(dá)到20 μm時，孔隙率為關(guān)鍵因素，反之表面粗糙度為關(guān)鍵因素。宋沙沙等[38]通過分析電弧增材制備Al-Mg合金試樣斷口的疲勞裂紋源位置、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬時斷裂區(qū)和疲勞輝紋時發(fā)現(xiàn)，由于Al-Mg合金表面粗糙度過高，誘發(fā)了表面孔洞的形成，疲勞裂紋萌生于試樣表面，裂紋呈放射狀向四周擴(kuò)展。吳圣川等[39]利用原位同步輻射X射線成像技術(shù)研究激光選區(qū)熔化成形Al- Si-10Mg鋁合金內(nèi)部的低周疲勞損傷演化行為過程，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的孔隙率隨著循環(huán)周次的增加由最初的0.25%增加至0.51%。激光增材Al-Si-10Mg鋁合金材料的疲勞裂紋在孔洞處形核、生長、集會、連通，有效截面積不斷減小，最終材料因疲勞裂紋的不斷擴(kuò)展，承載能力不足而發(fā)生失效斷裂。Waaddell等[40]研究了同步輻射X射線成像獲得的激光增材制造的Ti-6Al-4V鈦合金內(nèi)部疲勞擴(kuò)散和演化行為。如圖8所示，疲勞微裂紋長度由10萬次時的135 μm擴(kuò)展至12.5萬次時的737 μm，疲勞裂紋長度增加了602 μm，且裂紋尖端呈半橢圓形。此現(xiàn)象主要是由于材料內(nèi)部的平面約束力和物體上的平面應(yīng)力共同作用引起的，較小的裂紋與周圍的缺陷有很強(qiáng)的交互關(guān)系，此時裂紋的擴(kuò)展行為更容易發(fā)生在孔隙率較高的區(qū)域。

3.2 疲勞裂紋萌生/擴(kuò)展的微觀表現(xiàn)

從微觀角度分析，增材制造金屬材料的孿晶界和晶界是疲勞裂紋容易萌生的區(qū)域。研究表明[41-42]，疲勞裂紋附近存在較多的滑移痕跡，這種現(xiàn)象表明晶界處萌生的疲勞裂紋是晶體發(fā)生大量滑移導(dǎo)致的?；泼嬖诰Ы缣幨茏?，形成了大量的位錯塞積，位錯塞積在晶界處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力峰值達(dá)到疲勞裂紋的臨界值時引起晶界的疲勞開裂。此外，晶界內(nèi)的位錯塞積同時會受到晶粒尺寸的影響，晶粒尺寸越大晶界處的位錯塞積就會越嚴(yán)重，晶界上的應(yīng)變量也越大，越容易形成疲勞裂紋。

Ywa等[43]研究了經(jīng)過熱處理后的激光增材制造TC11合金在等軸晶粒和柱狀晶粒區(qū)域中的裂紋擴(kuò)展行為，結(jié)果表明等軸晶粒樣品中裂紋擴(kuò)展速率值較高，即使在應(yīng)力強(qiáng)度因子值較低時，裂紋擴(kuò)展速度依然較快；但是柱狀晶粒樣品中裂紋的擴(kuò)展速率更高。等軸晶粒和柱狀晶粒區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率的差異主要是由于αp薄片大小和形態(tài)的不同導(dǎo)致的。從圖9可以看出，不同形態(tài)晶粒區(qū)域的疲勞微裂紋擴(kuò)展路徑不同，疲勞裂紋傾向于沿片層平行生長、沿相界面生長或沿團(tuán)簇生長。池維乾等[44]探討了增材制造Ti-6Al- 4V合金超高周疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)理。研究表明，在超高周疲勞范疇內(nèi)，增材制造Ti-6Al-4V合金的裂紋萌生和早期生長的機(jī)制歸因于多次循環(huán)載荷下位錯之間的相互作用引起的晶粒細(xì)化；在隨后的循環(huán)載荷作用下，裂紋與在α相、晶界等位置形成的微裂紋相結(jié)合，加快了微裂紋的擴(kuò)展。圖10為增材制造Ti-6Al-4V合金試樣在多次循環(huán)載荷下，內(nèi)部位錯相互作用產(chǎn)生的細(xì)化晶粒區(qū)域，其中區(qū)域2局部存在細(xì)化晶粒特征，區(qū)域4（光滑區(qū)）在靠近斷裂表面的局部區(qū)域有明顯的晶粒細(xì)化。

4 增材制造金屬材料疲勞延壽技術(shù)

增材制造金屬材料中存在多種缺陷和有害的殘余應(yīng)力是材料疲勞性能降低的主要原因。在增材制造過程中，累積的殘余應(yīng)力會引起裂紋，伴隨著時間的推移，裂紋會不斷擴(kuò)展甚至導(dǎo)致材料變形失效。因此，消除或者減少缺陷和殘余應(yīng)力是提高材料服役壽命的有效手段。常用的疲勞延壽技術(shù)包括：熱處理、表面優(yōu)化、電磁輔助、超聲輔助等。

圖8 X射線成像的激光增材成形Ti-6Al-4V鈦合金內(nèi)部的疲勞損傷演化行為[40]

圖9 不同晶粒形態(tài)下的疲勞裂紋[43]

圖10 微觀結(jié)構(gòu)中不連續(xù)的細(xì)化晶粒區(qū)域[44]

4.1 增材制造工藝優(yōu)化延壽技術(shù)

4.1.1 熱處理工藝延壽技術(shù)

針對增材制造金屬材料開展熱處理可以消除或減小金屬材料缺陷處的殘余拉應(yīng)力，延長其服役壽命。Leuders等[45]采用熱等靜壓處理（Hot Isostatic Pressing, HIP）+熱處理減少增材制造Ti-6Al-4V合金中的顯微孔洞，降低了增材制造過程中形成的有害殘余拉應(yīng)力。Yadollahi等[46]研究發(fā)現(xiàn)激光增材制造不銹鋼過程中形成的缺陷導(dǎo)致疲勞壽命偏低，但是經(jīng)過熱處理后，由于熱處理釋放了構(gòu)件中的殘余拉應(yīng)力，使成型件的疲勞性能顯著提高。谷美邦[47]研究了熱處理對激光增材制造TA15鈦合金疲勞性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，普通退火態(tài)激光增材制造TA15鈦合金的疲勞極限優(yōu)于雙重退火態(tài)，其中普通退火態(tài)縱向取樣條件下疲勞極限為400 MPa，較雙重退火態(tài)的322.5 MPa高77.5 MPa，提高約24%。杜中祥等[48]研究了熱處理對增材制造電子束選區(qū)熔化技術(shù)Ti-6Al-4V合金組織及性能的影響。研究結(jié)果表明，原始態(tài)光滑試樣的疲勞強(qiáng)度為450 MPa，而經(jīng)過熱處理后試樣的疲勞強(qiáng)度增加到550 MPa，疲勞強(qiáng)度提高了約18.2%；其疲勞性能提升的主要原因是熱處理后光滑試樣中有害的殘余拉應(yīng)力減小，整個試樣的殘余應(yīng)力分布基本一致。

4.1.2 表面優(yōu)化工藝延壽技術(shù)

增材制造金屬材料的表面質(zhì)量是影響構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一，增材制造構(gòu)件表面質(zhì)量不良或表面粗糙度增加均會降低疲勞壽命。粗糙的表面為疲勞裂紋提供形核位置，造成疲勞壽命有所下降，但是通過增材制造工藝優(yōu)化改善金屬材料表面光潔度，或者采用輔助加工技術(shù)手段降低表面粗糙度，可顯著提高增材制造構(gòu)件疲勞壽命。

Greitemeier等[49]研究了表面粗糙度對電子束增材制造Ti-6Al-4V疲勞壽命的影響。結(jié)果表明，隨著構(gòu)件表面粗糙度的增加，材料的疲勞壽命呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。Vayssette等[50]采用機(jī)械打磨拋光方式，降低了激光增材制造成型Ti-6Al-4V試樣表面粗糙度，優(yōu)化了Ti-6Al-4V試樣表面質(zhì)量，最終使其疲勞強(qiáng)度提高了300 MPa，大幅提升了增材制造Ti-6Al-4V合金的疲勞壽命。Chan等[51]研究了增材制造Ti-6Al-4V鈦合金成形件表面粗糙度對其疲勞性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在未對增材制造Ti-6Al-4V鈦合金成形件進(jìn)行表面優(yōu)化時，其疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理想狀態(tài)。經(jīng)過不同方式處理后的Ti-6Al-4V鈦合金疲勞性能如表1所示，當(dāng)成形件經(jīng)過電火花加工、振動拋光、磨削等處理后，可以獲得優(yōu)良的表面光潔度，疲勞壽命提升可達(dá)10倍以上。激光增材制造的Ti-6Al-4V合金構(gòu)件粗糙的表面具有凹口深度和尖銳的曲率半徑特征，這些特征的存在導(dǎo)致粗糙表面成為應(yīng)力集中源區(qū)域和疲勞裂紋萌生位置。研究發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度與增材過程中的送粉厚度密切相關(guān)，送粉厚度大時，合金粉末顆粒熔化不完全而附著在表面，導(dǎo)致表面粗糙度增加。因此，選擇合適的送粉厚度可以獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量，降低表面粗糙度，有助于提高增材制造金屬材料疲勞壽命。

4.2 電磁輔助增材制造延壽技術(shù)

電磁輔助增材制造技術(shù)的基本原理是借助感應(yīng)電流與磁場形成電磁力和洛倫茲力，加強(qiáng)熔池對流和傳熱效果，實(shí)現(xiàn)電磁攪拌作用，促進(jìn)熔池內(nèi)溶質(zhì)均勻化。電磁輔助有助于結(jié)晶組織細(xì)化，促進(jìn)熔池中氣體和夾雜物的逸出，降低結(jié)晶裂紋的敏感性，提高零件力學(xué)性能，從而實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)的增材制造，對提高增材制造金屬材料疲勞性能有積極作用。

何文淵等[52]對比了施加交變磁場輔助同步送粉激光增材制造鐵基合金、未施加電磁輔助的試樣和退火態(tài)標(biāo)準(zhǔn)鍛件的組織與性能，研究結(jié)果表明：施加交變磁場輔助時，當(dāng)熔池上方磁場強(qiáng)度在30～40 mT范圍內(nèi)，可以獲得表面光滑和平整、晶粒細(xì)化效果明顯、無微觀裂紋、氣孔率低的增材制造試樣，且試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度接近標(biāo)準(zhǔn)鍛件。黃之豪等[53]研究電磁輔助下電弧增材制造GH4169合金材料的疲勞性能發(fā)現(xiàn)，隨著勵磁電流的增加，電弧增材制造GH4169合金材料疲勞性能呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律。當(dāng)勵磁電流過高時，構(gòu)件的抗疲勞性能降低，其原因主要是產(chǎn)生的阻尼現(xiàn)象導(dǎo)致溶質(zhì)的流動性差，凝固結(jié)晶過程中氣體不容易逸出，構(gòu)件中產(chǎn)生大量氣孔，從而降低疲勞性能。于群等[54]研究電磁輔助激光增材制造Ni45合金組織與疲勞性能發(fā)現(xiàn)，在未施加外加磁場時，激光增材制造Ni45合金成形試件樹枝晶主干的平均長度為45.3 μm，如圖11a所示；當(dāng)外加磁場強(qiáng)度從20 mT增加至80 mT時，枝晶的主干平均長度從23.2 μm降至5.0 μm，如圖11b～e所示；且當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到80 mT時，γ-Ni轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶。因此，隨著外加磁場強(qiáng)度的增大，激光增材制造的Ni45合金中γ-Ni樹枝晶主干長度逐漸縮短，隨著電磁輔助持續(xù)作用，激光增材制造Ni45合金成形態(tài)的晶粒持續(xù)細(xì)化，韌性不斷增加，疲勞性能顯著提高。

表1 增材制造Ti-6Al-4V鈦合金構(gòu)件表面質(zhì)量對疲勞性能的影響[51]

Tab.1 Effect of surface quality on fatigueproperties of AM Ti6Al4V parts[51]

圖11 不同磁場強(qiáng)度下合金成形體典型的掃描電鏡形貌[54]

4.3 超聲輔助增材制造延壽技術(shù)

在增材制造加工過程中，超聲輔助技術(shù)利用超聲波在金屬熔體凝固過程中產(chǎn)生的聲空化和聲流效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)均勻化溫度場和溶質(zhì)場等目的，實(shí)現(xiàn)對熔池進(jìn)行攪拌，有效細(xì)化晶粒、減少缺陷、改善應(yīng)力分布等，從而提高金屬材料的疲勞壽命。Zhang等[55]通過對增材制造高強(qiáng)度鋁合金力學(xué)性能的研究，發(fā)現(xiàn)在利用超聲振動輔助增材制造高強(qiáng)度鋁合金時，隨著振動頻率的增強(qiáng)，對熔池的攪拌強(qiáng)度隨之增加，超聲輔助過程細(xì)化了晶粒，減少了氣孔數(shù)量，降低了孔隙率，大幅提高了合金的疲勞壽命。Yuan等[56]通過在增材制造中引入超聲振動輔助，利用高頻次的振動有效抑制了晶體的外延生長，減弱了晶體學(xué)織構(gòu)的形成，促進(jìn)晶粒細(xì)化，提高了成形件的疲勞性能。陳偉等[57]通過超聲振動輔助電弧增材制造技術(shù)制備的鋁合金樣品，不僅試樣力學(xué)性能的各向異性得到改善，而且拉伸性能和疲勞性能有所提高。此外，針對增材制造金屬構(gòu)件表面粗糙而且存在有害拉應(yīng)力的問題，利用超聲沖擊/超聲噴丸輔助方法引入的高頻振動和沖擊作用，使表面粗糙的部位轉(zhuǎn)變?yōu)槠交^渡區(qū)，表面光滑程度得到提升；同時，內(nèi)部位錯在超聲沖擊的作用下獲得足夠的能量發(fā)生滑移或攀移，位錯平滑地過渡到穩(wěn)定狀態(tài)，殘余應(yīng)力得到一定的釋放，同時在超聲沖擊作用下拉應(yīng)力將轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力[58-59]，從而大幅提高增材制造金屬材料的疲勞壽命。

5 增材制造金屬材料疲勞壽命評估

5.1 疲勞壽命評估模型

為了準(zhǔn)確預(yù)測評估增材制造金屬構(gòu)件的疲勞壽命，科研工作者經(jīng)過不懈努力，對不同結(jié)構(gòu)的疲勞壽命創(chuàng)建了不同的評估模型，例如通過對疲勞斷裂原理的研究與探索，將材料的缺陷及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與疲勞過程的演變關(guān)聯(lián)起來的疲勞壽命評估方法，是目前預(yù)測增材制造金屬構(gòu)件疲勞壽命較為準(zhǔn)確的方法[60]。

張明義等[61]總結(jié)了常用的疲勞壽命評估方法，主要包括：經(jīng)驗(yàn)公式及其參數(shù)的隨機(jī)化處理模型、反映疲勞壽命離散性的統(tǒng)計(jì)模型、基于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的疲勞壽命預(yù)測統(tǒng)計(jì)模型、基于疲勞物理原理和材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的疲勞壽命預(yù)測概率模型、多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的廣布疲勞損傷的概率模型等疲勞壽命預(yù)測。蘇振李等[62]采用單軸載荷(=–1)、單軸載荷(=0)、純扭載荷、多軸載荷等壽命預(yù)測模型研究了基于缺陷的增材制造316L不銹鋼疲勞壽命的預(yù)估模型；其中采用修正的W?hler曲線方法(MWCM)進(jìn)行多軸疲勞壽命預(yù)測，預(yù)測結(jié)果整體趨勢與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。此外，考慮到增材制造/激光熔覆涉母材、熔覆材料以及激光源之間的能量轉(zhuǎn)換問題，華亮等[63]通過分析熔覆過程中的能量耗散轉(zhuǎn)換效應(yīng)，并將之與構(gòu)件的疲勞壽命之間建立相關(guān)聯(lián)系，最終確定了如式（1）所示的激光熔覆構(gòu)件疲勞裂紋萌生壽命的評估模型。

5.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的疲勞壽命評估方法

材料的疲勞壽命數(shù)據(jù)具有明顯的離散性特征，離散性可通過離散系數(shù)來表征，離散系數(shù)越高則反映出材料的疲勞性能越差。在高應(yīng)力水平狀態(tài)下，材料疲勞壽命的離散系數(shù)約為2，而在低應(yīng)力水平狀態(tài)下，材料疲勞壽命的離散系數(shù)高達(dá)100左右，其主要原因是疲勞裂紋萌生位置和裂紋生長速率都具有內(nèi)在的離散性特征，由于材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、服役載荷以及工作環(huán)境的差異，疲勞壽命的不確定性更加明顯[64]。疲勞壽命數(shù)據(jù)的離散性特征，增加了構(gòu)建疲勞壽命評估模型的難度，降低了疲勞壽命評估模型的準(zhǔn)確性。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，人工智能在很多領(lǐng)域都有較為廣泛的應(yīng)用，其中機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)具有強(qiáng)大的非線性處理與多變量學(xué)習(xí)能力，目前已在解決材料科學(xué)的復(fù)雜非線性問題中得到廣泛運(yùn)用。利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)分析疲勞數(shù)據(jù)，搭建疲勞壽命數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建疲勞壽命評估模型，可以彌補(bǔ)疲勞壽命數(shù)據(jù)離散性的影響，提高疲勞壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性。詹志新等[65]研究了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的增材制造鋁合金的疲勞壽命預(yù)測，對于不同的增材工藝，計(jì)算了不同循環(huán)載荷作用下的增材制造Al-Si-10Mg的疲勞壽命，建立了不同數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)建立的驅(qū)動模型預(yù)測了增材制造Al-Si-10Mg金屬材料的疲勞壽命，所有的預(yù)測壽命均處在2倍誤差帶以內(nèi)，驗(yàn)證了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的疲勞壽命評估模型的適用性。周書蔚等[66]測試了增材制造6005A-T6鋁合金試樣在不同應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，基于BPNN、SVR、KNN和XGboost機(jī)器學(xué)習(xí)模型，建立應(yīng)力比與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍Δ雙驅(qū)動控制的疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型，并從準(zhǔn)確度和效率等角度對不同機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立的疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型進(jìn)行綜合評估。其中，傳統(tǒng)Forman方程的擬合系數(shù)2為0.82，均方誤差MSE為3.804×10–14，而4種機(jī)器學(xué)習(xí)模型的擬合系數(shù)2均大于0.99，均方誤差MSE均小于10–16；研究表明，4種機(jī)器學(xué)習(xí)模型均能體現(xiàn)出裂紋擴(kuò)展速率的非線性特征，試驗(yàn)結(jié)果訓(xùn)練集與測試集有良好的擬合效果，且采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立的裂紋擴(kuò)展速率模型準(zhǔn)確性均高于傳統(tǒng)Forman方程。

6 總結(jié)與展望

1）增材制造金屬材料的疲勞性能主要與表面質(zhì)量、表面/內(nèi)部缺陷、殘余應(yīng)力和微觀組織相關(guān)。增材制造金屬材料疲勞裂紋一般在殘余應(yīng)力的作用下，在表面/內(nèi)部缺陷處形成局部應(yīng)力集中，經(jīng)過應(yīng)力循環(huán)作用引發(fā)疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展。改善增材制造金屬材料成形件的表面質(zhì)量，減少缺陷，優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)依然是提高疲勞性能的重要方向。

2）在增材制造金屬材料疲勞延壽技術(shù)方面，借助熱處理、表面粗糙度優(yōu)化、電磁輔助以及超聲輔助等技術(shù)可以減少增材制造金屬材料的缺陷，降低殘余拉應(yīng)力或優(yōu)化微觀組織，可有效提高增材制造金屬材料的疲勞壽命。研究多種疲勞延壽技術(shù)復(fù)合的增材制造技術(shù)將是提高增材制造金屬材料疲勞壽命未來的方向。

3）利用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能手段預(yù)測增材制造金屬材料疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展行為，評估金屬材料的疲勞壽命，為預(yù)測和提升增材制造金屬材料的壽命提供了新思路。機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)在改善增材制造金屬材料工藝技術(shù)，提升成形件疲勞壽命領(lǐng)域迅速發(fā)展，將推動增材制造金屬材料疲勞延壽技術(shù)的發(fā)展，也是未來研究的重點(diǎn)。

[1] TIRUPATAIAH K, VENKATA KIRAN D, VENKAIAH N. Iron Aluminide FGM Thin Wall Fabrication Using CMT-Based Twin Wire Arc Additive Manufacturing Process[J]. Materials Letters, 2023, 349: 134836.

[2] VYAVAHARE S, MAHESH V, MAHESH V, et al. Additively Manufactured Meta-Biomaterials: A State-of- the-Art Review[J]. Composite Structures, 2023, 305: 116491.

[3] WANG W L, XU H, ZHAI B Y, et al. A Review of the Melt Structure and Crystallization Behavior of Non- Reactive Mold Flux for the Casting of Advanced High- Strength Steels[J]. Steel Research International, 2021, 5(7): 527-535.

[4] KüRNSTEINER P, BARRIOBERO-VILA P, BAJAJ P, et al. Designing an Fe-Ni-Ti Maraging Steel Tailor- Made for Laser Additive Manufacturing[J]. Additive Manufacturing, 2023, 73: 103647.

[5] GONZAGA E, TUAZON B J, GARCIA J A V, et al. Additive Manufacturing Applications in Maritime Education[J]. Diffusion Foundations and Materials Applications, 2023, 32: 19-26.

[6] BOSCHETTO A, BOTTINI L, CARDINI V, et al. Aircraft Part Substitution Via Additive Manufacturing: Design, Simulation, Fabrication and Testing[J]. Rapid Prototyping Journal, 2021, 27(5): 995-1009.

[7] LIU X C, LI D B, QI P Y, et al. A Local Resistance Coefficient Model of Aircraft Hydraulics Bent Pipe Using Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2023, 147: 110961.

[8] 馮凌冰, 劉豐剛. 增材制造高強(qiáng)鋼的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]. 粉末冶金工業(yè), 2022, 32(3): 23-33.

FENG L B, LIU F G. Research Progress of Additive Manufactured High Strength Steel[J]. Powder Metallurgy Industry, 2022, 32(3): 23-33.

[9] DU M, LIU B, LIU Y, et al. Dynamic Behavior of Additively Manufactured FeCoCrNi High Entropy Alloy[J]. Metals, 2022, 13(1): 75.

[10] 武亮亮, 焦?jié)奢x, 于慧臣. 激光選區(qū)熔化TC4合金小裂紋擴(kuò)展行為[J]. 材料工程, 2023, 51(6): 83-92.

WU L L, JIAO Z H, YU H C. Small Crack Growth Behavior in Selective Laser Melted TC4 Alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2023, 51(6): 83-92.

[11] 方學(xué)偉, 楊健楠, 陳瑞凱, 等. 鋁合金電弧增材制造技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 電焊機(jī), 2023, 53(2): 52-67.

FANG X W, YANG J N, CHEN R K, et al. Research Progress of Wire Arc Additive Manufacturing Technology for Aluminum Alloy[J]. Electric Welding Machine, 2023, 53(2): 52-67.

[12] 張朝瑞, 錢波, 張立浩, 等. 金屬增材制造工藝、材料及結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J]. 機(jī)床與液壓, 2023, 51(9): 180- 196.

ZHANG C R, QIAN B, ZHANG L H, et al. Research Progress of Metal Additive Manufacturing Process, Materials and Structure[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2023, 51(9): 180-196.

[13] 梁嘯宇, 張磊, 林峰. 電子束粉末床熔融制備鈦鋁基金屬間化合物研究進(jìn)展[J]. 精密成形工程, 2022, 14(11): 81-97.

LIANG X Y, ZHANG L, LIN F. Research Progress of TiAl Intermetallic Fabricated by Electron Beam Powder Bed Fusion[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(11): 81-97.

[14] 王家明, 趙彥華, 路來驍, 等. 激光增材制造鐵基合金組織性能控制研究進(jìn)展[J]. 山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 36(4): 69-79.

WANG J M, ZHAO Y H, LU L X, et al. Research Progress of Microstructure and Properties Control of Laser Additive Manufacturing Fe-Based Alloy[J]. Journal of Shandong Jianzhu University, 2021, 36(4): 69-79.

[15] NEGI S, NAMBOLAN A A, KAPIL S, et al. Review on Electron Beam Based Additive Manufacturing[J]. Rapid Prototyping Journal, 2019, 26(3): 485-498.

[16] 竺俊杰, 王優(yōu)強(qiáng), 倪陳兵, 等. 激光增材制造鈦合金微觀組織和力學(xué)性能研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2023, 7(9): 1-21.

ZHU J J, WANG Y Q, NI C B, et al. Research Progress on Microstructure and Mechanical Properties of Titanium Alloys in Laser Additive Manufacturing[J]. Surface Technology, 2023, 7(9): 1-21.

[17] 余圣甫, 禹潤縝, 何天英, 等. 電弧增材制造技術(shù)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 中國材料進(jìn)展, 2021, 40(3): 198-209.

YU S F, YU R Z, HE T Y, et al. Wire Arc Additive Manufacturing and Its Application: Research Progress [J]. Materials China, 2021, 40(3): 198-209.

[18] 韓啟飛, 符瑞, 胡錦龍, 等. 電弧熔絲增材制造鋁合金研究進(jìn)展[J]. 材料工程, 2022, 50(4): 62-73.

HAN Q F, FU R, HU J L, et al. Research Progress in Wire Arc Additive Manufacturing of Aluminum Alloys[J]. Journal of Materials Engineering, 2022, 50(4): 62-73.

[19] ZYKOVA A, NIKOLAEVA A, PANFILOV A, et al. Microstructures and Phases in Electron Beam Additively Manufactured Ti-Al-Mo-Zr-V/CuAl9Mn2 Alloy[J]. Materials, 2023, 16(12): 4279.

[20] 魏水淼, 馬盼, 季鵬程, 等. 高熵合金增材制造研究進(jìn)展[J]. 材料工程, 2021, 49(10): 1-17.

WEI S M, MA P, JI P C, et al. Research Progress in High Entropy Alloys by Additive Manufacturing[J]. Journal of Materials Engineering, 2021, 49(10): 1-17.

[21] GüNTHER J, KREWERTH D, LIPPMANN T, et al. Fatigue Life of Additively Manufactured Ti–6Al–4V in the very High Cycle Fatigue Regime[J]. International Journal of Fatigue, 2017, 94: 236-245.

[22] RAHMATI S, VAHABLI E. Evaluation of Analytical Modeling for Improvement of Surface Roughness of FDM Test Part Using Measurement Results[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 79(5): 823-829.

[23] URIATI F, NICOLETTO G, LUTEY A H A. As-Built Surface Quality and Fatigue Resistance of Inconel 718 Obtained by Additive Manufacturing[J]. Material Design & Processing Communications, 2021, 3(4): 4-5.

[24] 李雯哲, 錢鋒, 程興旺. 增材制造中高強(qiáng)鋁合金的缺陷與力學(xué)性能研究進(jìn)展[J]. 材料工程, 2023, 51(3): 29-38.

LI W Z, QIAN F, CHENG X W. Research Progress in Defects and Mechanical Properties of Additively Manufactured Aluminum Alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2023, 51(3): 29-38.

[25] STERLING A J, TORRIES B, SHAMSAEI N, et al. Fatigue Behavior and Failure Mechanisms of Direct Laser Deposited Ti–6Al–4V[J]. Materials Science and Engineering: A, 2016, 655: 100-112.

[26] RAZAVI N, FERRO P, BERTO F, et al. Fatigue Strength of Blunt V-Notched Specimens Produced by Selective Laser Melting of Ti-6Al-4V[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2018, 97: 376-384.

[27] YU H C, LI F Z, WANG Z M, et al. Fatigue Performances of Selective Laser Melted Ti-6Al-4V Alloy: Influence of Surface Finishing, Hot Isostatic Pressing and Heat Treatments[J]. International Journal of Fatigue, 2019, 120: 175-183.

[28] 張吳雙. 激光增材制造金屬構(gòu)件內(nèi)部缺陷控制與無損檢測特性研究[J]. 鑄造技術(shù), 2021, 42(5): 346-349.

ZHANG W S. Study on Internal Defect Control and Nondestructive Testing Characteristics of Metal Components Formed by Laser Additive Manufacturing[J]. Foundry Technology, 2021, 42(5): 346-349.

[29] 趙滄, 楊源祺, 師博, 等. 金屬激光增材制造微觀結(jié)構(gòu)和缺陷原位實(shí)時監(jiān)測[J]. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67(25): 3036-3053.

ZHAO C, YANG Y Q, SHI B, et al. Operando Monitoring Microstructures and Defects in Laser Fusion Additive Manufacturing of Metals[J]. Chinese Science Bulletin, 2022, 67(25): 3036-3053.

[30] ABOULKHAIR N T, MASKERY I, TUCK C, et al. Improving the Fatigue Behaviour of a Selectively Laser Melted Aluminium Alloy: Influence of Heat Treatment and Surface Quality[J]. Materials & Design, 2016, 104: 174-182.

[31] 楊薇, 王棟, 張強(qiáng)虎, 等. 燃油噴嘴激光選區(qū)熔化成型的內(nèi)部缺陷控制與檢測方法研究[J]. 熱加工工藝, 2021, 50(6): 54-58.

YANG W, WANG D, ZHANG Q H, et al. Study on Internal Defects Control and Detection Method of Selective Laser Melting of Fuel Nozzle[J]. Hot Working Technology, 2021, 50(6): 54-58.

[32] EDWARDS P, RAMULU M. Fatigue Performance Evaluation of Selective Laser Melted Ti–6Al–4V[J]. Materials Science and Engineering: A, 2014, 598: 327- 337.

[33] FATEMI A, MOLAEI R, SIMSIRIWONG J, et al. Fatigue Behaviour of Additive Manufactured Materials: An Overview of some Recent Experimental Studies On Ti‐6Al‐4V Considering Various Processing and Loading Direction Effects[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2019, 42: 991- 1009.

[34] STWORA A, SKRABALAK G. Influence of Selected Parameters of Selective Laser Sintering Process on Properties of Sintered Materials[J]. Achiev. Mater. Manuf. Eng, 2013, 61(2): 375-380.

[35] 黃锨航, 易江龍, 曹藝, 等. 定向能量沉積增材制造雙相不銹鋼微觀組織與性能研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2023, 37(S1): 388-394.

HUANG X H, YI J L, CAO Y, et al. Research Progress in Microstructure and Properties of Duplex Stainless Steels by Directed Energy Deposition[J]. Materials Reports, 2023, 37(S1): 388-394.

[36] 周宇豪. 增材制造不銹鋼的疲勞性能研究[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新, 2021(27): 64-65.

ZHOU Y H. Study on Fatigue Properties of Stainless Steel Made by Additive[J]. Scientific and Technological Innovation, 2021(27): 64-65.

[37] ZHANG H Z, LI C Y, XU M T, et al. The Fatigue Performance Evaluation of Additively Manufactured 304L Austenitic Stainless Steels[J]. Materials Science and Engineering: A, 2021, 802: 140640.

[38] 宋沙沙. GMAW電弧增材制造Al-Mg合金的成形工藝與組織性能[D]. 沈陽: 東北大學(xué), 2019.

SONG S S. The Forming Process and Structure-Property Relationships of Al-Mg Aluminum Alloy Utilized as Feedstock for GMAW-Based Additive Manufacturing[D].Shenyang: Northeastern University, 2019.

[39] 吳圣川, 胡雅楠, 楊冰, 等. 增材制造材料缺陷表征及結(jié)構(gòu)完整性評定方法研究綜述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2021, 57(22): 3-34.

WU S C, HU Y N, YANG B, et al. Review on Defect Characterization and Structural Integrity Assessment Method of Additively Manufactured Materials[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(22): 3-34.

[40] WADDELL M, WALKER K, BANDYOPADHYAY R, et al. Small Fatigue Crack Growth Behavior of Ti-6Al-4V Produced via Selective Laser Melting: In Situ Characterization of a 3D Crack Tip Interactions with Defects[J]. International Journal of Fatigue, 2020, 137: 105638.

[41] BENEDETTI M, DU PLESSIS A, RITCHIE R O, et al. Architected Cellular Materials: A Review on Their Mechanical Properties towards Fatigue-Tolerant Design and Fabrication[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2021, 144: 100606.

[42] MURR L E, ESQUIVEL E V, QUINONES S A, et al. Microstructures and Mechanical Properties of Electron Beam-Rapid Manufactured Ti–6Al–4V Biomedical Prototypes Compared to Wrought Ti–6Al–4V[J]. Materials Characterization, 2009, 60(2): 96-105.

[43] WANG Y F, CHEN R, CHENG X, et al. Effects of Microstructure on Fatigue Crack Propagation Behavior in a Bi-Modal TC11 Titanium Alloy Fabricated via Laser Additive Manufacturing[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2019, 35(2): 403-408.

[44] 池維乾, 王文靜, 孫成奇. 增材制造Ti-6Al-4V合金超高周疲勞裂紋萌生和演化機(jī)理[C]// 中國力學(xué)大會- 2021+1論文集(第一冊). 西安、線上會議, 2022: 721.

CHI W Q, WANG W J, SUN C Q The Mechanism of Initiation and Evolution of Ultra-high Cycle Fatigue Cracks in Additive Manufacturing Ti-6Al-4V alloy [C]//Chinese Mechanics Congress -2021+1 Proceedings (Volume 1) Xi'an, online conference, 2022: 721

[45] LEUDERS S, TH?NE M, RIEMER A, et al. On the Mechanical Behaviour of Titanium Alloy TiAl6V4Manufactured by Selective Laser Melting: Fatigue Resistance and Crack Growth Performance[J]. International Journal of Fatigue, 2013, 48: 300-307.

[46] YADOLLAHI A, SHAMSAEI N, THOMPSON S M, et al. Effects of Building Orientation and Heat Treatment on Fatigue Behavior of Selective Laser Melted 17-4 PH Stainless Steel[J]. International Journal of Fatigue, 2017, 94: 218-235.

[47] 谷美邦. 熱處理制度對激光增材制造TA15鈦合金力學(xué)性能的影響[J]. 航空制造技術(shù), 2021, 64(3): 97-102.

GU M B. Influence of Heat Treatment on Mechanical Properties of TA15 Titanium Alloy Fabricated by Laser Additive Manufacturing[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2021, 64(3): 97-102.

[48] 杜中祥, 王心彧, 李慕勤, 等. 熱處理對增材制造Ti-6Al-4V合金組織及性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2022, 42(9): 1086-1090.

DU Z X, WANG X Y, LI M Q, et al. Effects of Heat Treatment on the Microstructure and Properties of Additive Manufacturing Ti-6Al-4VAlloy[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2022, 42(9): 1086-1090.

[49] GREITEMEIER D, DALLE DONNE C, SYASSEN F, et al. Effect of Surface Roughness on Fatigue Performance of Additive Manufactured Ti–6Al–4V[J]. Materials Science and Technology, 2016, 32(7): 629-634.

[50] VAYSSETTE B, SAINTIER N, BRUGGER C, et al. Surface Roughness of Ti-6Al-4V Parts Obtained by SLM and EBM: Effect on the High Cycle Fatigue Life[J]. Procedia Engineering, 2018, 213: 89-97.

[51] CHAN K, KOIKE M, MASON R L, et al. Fatigue Life of Titanium Alloys Fabricated by Additive Layer Manufacturing Techniques for Dental Implants[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2013, 44: 1010- 1022.

[52] 何文淵, 周建忠, 徐家樂, 等. 電磁輔助激光增材制造Fe901微觀組織及其性能研究[C]// 第五屆激光先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用研討會會議手冊. 北京, 2017: 25-26.

HE W Y, ZHOU J Z, Xu J L, et al. Research on the Microstructure and Properties of Fe901 Produced by Electromagnetic Assisted Laser Additive Manufacturing[C]// Handbook of the 5th Laser Advanced Manufacturing Technology Application Seminar Beijing, 2017: 25-26.

[53] 黃之豪, 高健, 李茂林, 等. 電磁輔助電弧熔絲增材制造GH4169合金的組織和疲勞性能[J]. 熱加工工藝, 2023, 52(7): 16-20, 26.

HUANG Z H, GAO J, LI M L, et al. Microstructure and Fatigue Performance of GH4169 Superalloy Fabricated by Electromagnetic Assisted WAAM[J]. Hot Working Technology, 2023, 52(7): 16-20, 26.

[54] 于群, 王存山. 電磁攪拌輔助Ni45合金的激光增材制造[J]. 中國激光, 2018, 45(4): 0402003.

YU Q, WANG C S. Laser Additive Manufacturing of Ni45 Alloys Assisted by Electromagnetic Stirring[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(4): 0402003.

[55] ZHANG C, GAO M, ZENG X Y. Workpiece Vibration Augmented Wire Arc Additive Manufacturing of High Strength Aluminum Alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2019, 271: 85-92.

[56] YUAN D, SHAO S Q, GUO C H, et al. Grain Refining of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Laser and Wire Additive Manufacturing Assisted with Ultrasonic Vibration[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2021, 73: 105472.

[57] 陳偉, 陳玉華, 溫濤濤, 等. 超聲振動對電弧增材制造鋁青銅合金組織和拉伸性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2020, 30(10): 2280-2294.

CHEN W, CHEN Y H, WEN T T, et al. Effect of Ultrasonic Vibration on Microstructure and Tensile Properties of Aluminum Bronze Alloy Produced by Wire Arc Additive Manufacturing[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2020, 30(10): 2280-2294.

[58] 陳佳偉. 超聲波沖擊處理消除16MnR焊件殘余應(yīng)力的研究[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2010: 43-46.

CHEN J W. Study on Residual Stress Modification of Welded 16MnR Parts by Means of Ultrasonic Impact Treatment[D].Changchun: Jilin University, 2010: 43-46.

[59] 馬杰, 尤逢海, 方聲遠(yuǎn), 等. 超聲沖擊對鈦合金焊縫表面壓應(yīng)力的影響[J]. 宇航材料工藝, 2012, 42(1): 89-91.

MA J, YOU F H, FANG S Y, et al. Influence of Ultrasonic Impact Treatment(UIT) on Surface Impact Stress of Ti Alloy Welding Beams[J]. Aerospace Materials & Technology, 2012, 42(1): 89-91.

[60] CHRIST H J. Is Thermomechanical Fatigue Life Predictable?[J]. Procedia Engineering, 2013, 55: 181-190.

[61] 張明義, 袁帥, 鐘敏, 等. 金屬材料和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測概率模型及應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2018, 32(5): 808-814.

ZHANG M Y, YUAN S, ZHONG M, et al. A Review on Development and Application of Probabilistic Fatigue Life Prediction Models for Metal Materials and Components[J]. Materials Review, 2018, 32(5): 808-814.

[62] 蘇振李. 缺陷對增材制造316L不銹鋼疲勞性能影響研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2021: 49-61.

SU Z L. Research on Effect of Defects on the Fatigue Performance of Additive Manufactured 316L Stainless Steel[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2021: 49-61.

[63] 華亮, 曾超. 基于能量法的激光熔覆構(gòu)件疲勞壽命評估研究[J]. 光學(xué)技術(shù), 2020, 46(5): 578-581, 618.

HUA L, ZENG C. Fatigue Life Evaluation of Laser Cladding Specimens Based on the Energy Method[J]. Optical TechniJque, 2020, 46(5): 578-581, 618.

[64] CHAN K S, ENRIGHT M P, MOODY J P. Development of a Probabilistic Methodology for Predicting Hot Corrosion Fatigue Crack Growth Life of Gas Turbine Engine Disks[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2014, 136(2): 022505.

[65] 詹志新, 高同州, 劉傳奇, 等. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的增材制造鋁合金的疲勞壽命預(yù)測[J]. 固體力學(xué)學(xué)報(bào), 2023, 44(3): 381-394.

ZHAN Z X, GAO T Z, LIU C Q, et al. Data-Driven Fatigue Life Prediction of Additively Manufactured Aluminum Alloys[J]. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2023, 44(3): 381-394.

[66] 周書蔚, 楊冰, 王超, 等. 機(jī)器學(xué)習(xí)法預(yù)測不同應(yīng)力比6005A-T6鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2023, 33(8): 2416-2427.

ZHOU S W, YANG B, WANG C, et al. Fatigue Crack Growth Rate Estimation of 6005A-T6 Aluminum Alloys with Different Stress Ratios Using Machine Learning Methods[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2023, 33(8): 2416-2427.

Research Progress on Fatigue Properties of Additive Manufactured Metal Materials

DAI Junlin1, WU Shipin1,2*, ZHANG Yu1, WANG Xuejiao1, MA Qiang3

(1. Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300072, China; 2. Center for Advanced Joining Technology, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 3. Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co., Ltd., Tianjin 300399, China)

Metal additive manufacturing, also known as one of the prominent manufacturing technologies, has garnered significant attention and has been extensively investigated and used across diverse crucial industrial sectors in recent times. The additive manufacturing method inherently gives rise to various defects, including but not limited to surface roughness, porosity, and lack of fusion. Despite advancement in process technology, it remains unfeasible to entirely eradicate defects, but can reduce defects to a certain amount. During the additive manufacturing of metal materials, the defective parts usually become the source of stress concentration and induce fatigue crack nucleation, resulting in a decrease in the fatigue life of metal materials. The factors affecting the fatigue performance of metals produced by additive manufacturing were described firstly from the surface quality, internal defects, and microstructure. Secondly, the research progress of fatigue crack initiation and expansion mechanism was summarized from the macroscopic and microscopic perspectives. Then, the current progress of fatigue life-extension techniques such as heat treatment, surface optimization, electromagnetic-assisted and ultrasonic-assisted techniques were introduced. Finally, the fatigue life evaluation model utilizing machine learning technology was further examined, along with the potential application of machine learning and artificial intelligence technology in the domain of additive manufacturing of metal materials, providing experience and reference value for advancing the progress and utilization of metal additive manufacturing.

additive manufacturing; metal materials; defects; fatigue life; fatigue cracks; fatigue life evaluation

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.001

TG456

A

1674-6457(2024)01-0001-14

2023-08-26

2023-08-26

天津市教委科研計(jì)劃項(xiàng)目（2020KJ104）

Tianjin Municipal Education Commission Scientific Research Program Projects (2020KJ104)

代俊林, 吳世品, 張宇, 等. 增材制造金屬材料的疲勞性能研究進(jìn)展[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 1-13.

DAI Junlin, WU Shipin, ZHANG Yu, et al. Research Progress on Fatigue Properties of Additive Manufactured Metal Materials[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 1-13.

（Corresponding author）