3D打印金屬材料疲勞實驗及數值模擬研究綜述

葉萬蓉 曾國偉 閆相木 邱乙 張博文

(武漢科技大學理學院 湖北武漢 430065)

目前金屬3D 打印的方法按輸出能量來劃分主要有激光、電弧、電子束等[1-4]。激光3D打印技術包括以同步材料送進為主要技術特征的激光立體成形技術和以粉末床（Powder Bed Fusion，PBF）為主要技術特征的選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM)技術等，選區激光熔化技術首先通過專用軟件對零件三維數模進行切片分層，獲得各截面的輪廓數據，然后利用高能激光或電子束根據輪廓數據逐層選擇性地熔化金屬粉末，之后通過逐層鋪粉、逐層熔化凝固堆積的方式，實現三維實體金屬零件的制造，具有成形零件精度高、較適應于打印小件、成形零件的力學性能良好等優點。國內外激光3D打印技術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，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應力引起的損傷，是最常見的失效模式之一。例如：飛機或汽車發動機中的Ti6Al4V壓氣機和渦輪葉片受到頻率大于1 kHz 的高頻循環載荷。疲勞性能的評估通常采用應力-壽命（S-N）或應變-壽命（ε-N）方法，其中N表示循環失效。

金屬和合金在3D 打印技術中的使用使得工程師能夠制造具有高力學性能的復雜形狀零件。然而，3D打印過程中復雜的物理化學冶金狀態導致了表面和內部缺陷、孔隙率，而熔化和凝固過程中則會產生各向異性的組織，導致各向異性的性能。因此，3D 打印金屬基材料力學行為需要為3D 打印構件的設計和評價提供全面的認識。在這些缺陷中，孔隙率、表面粗糙度和殘余應力是影響HCF強度的關鍵因素。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性能對于3D 打印部件的服役性能有著重要的工程應用價值。該文擬結合材料制造因素，對鈦合金、不銹鋼和鋁合金這3 類材料的疲勞斷裂文獻進行分析，為3D打印金屬的疲勞破壞機理研究提供依據。

1 鈦合金

Ti-6Al-4V 等鈦合金由于具有較高的強重比、優異的力學性能和生物相容性，在航空航天零部件和生物醫學植入物的生產中都得到了廣泛應用。在航空航天工業中，拓撲優化可以用來創建復雜的幾何結構，可以減輕結構件的重量，從而有效地提高燃油效率。在生物醫藥行業，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應的疲勞性能相關聯。結果表明，疲勞行為對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力幅值的差值增大，導致高周疲勞數據存在明顯的分散性。

3D打印過程所產生的結構一般為馬氏體結構（由于冷卻速度較高），先天就具有表面粗糙度、殘余應力和孔洞。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），可以降低殘余應力，將脆弱的馬氏體結構轉變為更韌性的結構，并減少孔洞的尺寸。為了避免表面粗糙度對失效壽命的影響，KAHLIN M 等人[2]對試件表面進行了拋光處理。通過增量步驟試驗獲得了材料塑性循環曲線。為了驗證孔洞的存在，考察晶粒的取向和分布，觀察了材料的顯微組織。對試件進行了單軸和非比例應變路徑的應變控制試驗。疲勞壽命、硬化-軟化曲線、循環應力-應變曲線和裂紋等已與有關試件品種進行了分析和討論。

非比例載荷定義為在循環過程中主應力方向發生變化的載荷，由于多個滑移帶的激活和附加硬化而導致疲勞壽命降低。機械部件在過載或應力集中作用下的疲勞失效主要受循環塑性變形控制。因此，研究材料在多軸非比例加載下的塑性響應對于準確設計承受上述條件的構件至關重要。BRESSAN S等人[3]對試件進行了單軸和非比例應變路徑的應變控制試驗，研究了層取向、卸應力熱處理和缺陷對低周應變控制多軸疲勞和塑性行為的影響。

疲勞裂紋擴展往往代表疲勞壽命的顯著部分。混合模式疲勞裂紋擴展可以是多軸載荷或組合應力條件下總疲勞壽命的顯著部分。當裂紋擴展過程中裂紋方向發生變化時，其速率也可能發生變化。要充分認識Ti-6Al-4V 合金的疲勞失效機理，有必要對其疲勞裂紋擴展行為進行研究。實驗證據表明，3D打印鈦合金的疲勞裂紋擴展速率不同于鍛態和鍛態合金，原因在于其在其疲勞裂紋擴展速率和生長軌跡形狀方面具有獨特的組織和層數。WANG X Y 等人[4]建立了考慮局部屈服強度和組織異化效應的修正FCGR小裂紋擴展模型。利用原位SEM 觀察了小裂紋的擴展過程和路徑。詳細討論了顯微組織對裂紋擴展行為的影響，特別是對穿晶裂紋擴展速率的影響，提出了一種改進的CTOD模型用于小裂紋FCGR預測，將該模型的性能與現有模型進行了比較。

雖然裂紋擴展機制常在單軸加載和Ⅰ型裂紋擴展下進行研究，但當構件在服役過程中受到多軸載荷作用時，萌生的疲勞裂紋可向不同方向擴展，出現混合模式裂紋擴展，當存在缺口等壓力集中時，這種情況可能變得更加復雜。BENEDETTI M等人[5]研究了鑄態和機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。研究發現，缺口疲勞強度主要受缺口根部附近最大缺陷的支配。缺口和應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導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HIP 處理情況下，采用基于臨界平面的方法和基于斷裂力學的方法對多軸疲勞數據進行關聯，并對不同載荷條件下的疲勞壽命進行估算。

2 不銹鋼

不銹鋼可在固溶處理條件下生產，由于其碳濃度較低，易于加工，經適當熱處理后，具有較高的拉伸/沖擊強度、斷裂韌性和耐腐蝕性等優異的力學性能，因此，廣泛應用于制作航空工業、核工業、海軍工業和化學工業中高強度和耐腐蝕性的部件。

17-4PH 型不銹鋼具有高的抗應力腐蝕性能和高的斷裂韌性，是應用最廣泛的PH 馬氏體不銹鋼之一。17-4PH不銹鋼的力學性能是通過回火處理來定制的，也稱為時效或時效硬化。CARNEIRO L 等人[7]在環境空氣中對常規制造和3D打印的17-4PH不銹鋼進行了靜態和疲勞試驗。發現兩種工藝條件下的抗拉強度相近，但3D 打印不銹鋼的塑性明顯低于常規制造不銹鋼。兩種材料的應變-壽命疲勞曲線都表現出從低周疲勞區到高周疲勞區的轉折點。制造過程中產生的缺陷和孔隙，導致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）技術制造304L不銹鋼（304L不銹鋼）零件，研究了未加工和機械加工拋光兩種不同表面條件下的疲勞行為。利用數字三維顯微鏡進行表面粗糙度測量，并提供了各種表面粗糙度參數的值，評估表面粗糙度和載荷對LB-PBF 304L不銹鋼循環變形和疲勞行為的影響。通過嚴格的試驗方法，采用事后斷裂分析和經典疲勞建模方法，研究了應力和應變疲勞試驗對表面粗糙度的敏感性。

在應用于金屬材料的3D打印技術中，選擇性激光熔化（SLM）因其接受的材料范圍大、產生的功能部件高而備受關注。表面粗糙度是SLM 成功的關鍵因素。建成狀態下SLM零件表面粗糙度較高。而階梯臺階效應、部分熔融顆粒粘在表面、不穩定的熔池加劇了SLM鋼的表面粗糙度。LIANG X 等人[9]提出了一種擴展的顯微結構敏感有限元建模方法，并將其應用于3D打印316L。建立的數值模型同時考慮了表面缺陷和典型微結構屬性。由于實驗結果大多反映了缺陷和微觀組織的綜合競爭效應，因此采用計算機模擬來區分這些控制參數。結果表明，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、粗糙度以及晶粒尺寸和形貌上占主導地位。顯微結構織構具有顯著的影響。發現優先取向對SLM 制造的316L 疲勞行為的影響，使耐久極限降低10%。當表面或附近存在未融合缺陷時，制備試樣測得的粗糙度對疲勞強度沒有明顯影響。

疲勞裂紋擴展行為及其對微結構的依賴是基于損傷容限方法預測金屬構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 不銹鋼的與微結構相關的開裂行為。選擇了兩種熱處理工藝，一種提高強度，另一種提高延伸率，得到不同的組織特征。繼而研究了微結構對裂紋擴展行為的影響，并將17-4PH的疲勞裂紋擴展行為與傳統鍛造件2 的疲勞裂紋擴展行為進行了比較。結果表明，隨著裂紋沿著柱狀晶相對缺口方向垂直拉長，大部分穿晶裂紋擴展行為由II 型裂紋轉變為穿晶+沿晶裂紋擴展的混合模式。

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

3 鋁合金

鋁合金具有質量輕、強度高、耐腐蝕、可焊性好等特點，由鋁合金組成的工程構件傳統上采用鑄造、鍛造、擠壓、粉末冶金等工藝。近年來，隨著3D 打印（AM）技術的發展，越來越多的企業開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、航空航天、機械及工裝、國防、建筑等行業。

MUHAMMAD M 等人[13]生成4 種不同LB-PBF 鋁合金的拉伸和疲勞數據，在未加工和已加工的表面條件下對這些合金的疲勞行為進行評價。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解釋。結果表明，對于未加工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圍晶粒細小，更耐疲勞裂紋萌生。研究熱處理和構筑取向對3D打印的AlSi10Mg拉伸和疲勞行為的影響。

近年來，隨著安全要求的不斷提高，越來越多的工程構件被設計成承受107個循環（稱為極高周疲勞，VHCF）以上的疲勞壽命，甚至高達108～109個循環。對于低周疲勞，只需消耗少量的加載循環就可萌生裂紋。然而，在高周和極高周疲勞工況下，超過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。

疲勞壽命分布的統計極值主要基于大量的實驗數據。實驗結果表明，高周和極高周疲勞壽命存在分散性，這是由于微觀結構和缺陷分布的變化造成的。然而，通過實驗數據采集來重建微結構非常緩慢和復雜。提高SLM 成形AlSi10Mg 疲勞性能預測效率的最佳途徑之一是采用先進的計算技術，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現復雜的算法來模擬金屬結晶系統中尺度行為的非線性物質響應。

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AlSi10Mg 合金疲勞性能的影響及其機理。結果表明，成形取向與應力比對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 結語

總體來說，目前針對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，針對隨機性和失效模式，大多數研究工作都是基于試驗結果，采用缺陷幾何和位置參數、微觀結構和材料參數來表征3D 打印金屬材料應力強度因子、疲勞極限，從而預測疲勞性能。兼顧高計算效率與高保真的數值模擬工作開展得較少，因此，有必要建立考慮増材制造金屬微觀組織結構的數值模型，進而研究其損傷演化、裂紋擴展與壽命估算與微觀結構的關聯規律。