《Acta Materialia》综述：增材制造金属的断裂与疲劳！

2022-02-23 15:46:48 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

增材制造（AM）的出现以前所未有的方式革新金属零件制造。为了实现这一潜力，使AM合金成功地应用于工业领域，对加工-显微组织和机械性能的深入理解是十分必要的。AM的附加特性，如介观结构、孔隙度、残余应力，以及它们之间复杂的相互作用，使这一过程变得更加复杂。虽然在AM的制造方面以及组织和拉伸性能的评估方面已经进行了大量的研究，但对断裂韧性和疲劳性能的研究相对较少。由于这些性能是确保AM部件结构完整性的关键，更多的关注AM合金的疲劳和断裂是必要的，以理解这些性能如何进行调控。反过来，这些知识可以用来设计耐损伤的结构部件。在这种情况下，针对AM合金的断裂和疲劳性能进行综述具有重要意义。

南非斯泰伦博什大学的研究人员全面回顾了目前对AM合金中结构-性能相关性的分析，总结了提高合金损伤容限的方法，包括在AM过程中改进加工条件以及退火、热等静压和喷丸强化等后处理，对AM合金现有研究结果进行总结并展望未来发展情况。相关论文以题为“Fracture and fatigue in additively manufactured metals”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

对于AM合金来说，延展性不是最重要的性能指标，因为AM合金的特点是近净成形，几乎不需要进一步二次机加工，由于断裂韧性可以通过微观结构设计得到提高，因此最好直接关注断裂韧性的评估，以及如何进一步优化强度和韧性组合。激光工艺的快速凝固条件在某些情况下扩展了合金元素的固溶度，进而产生亚稳细小的显微组织特征，而构建策略则提供了微观结构特征。前者增强强度，后者增强韧性。AM为设计具有良好强度-韧性组合的合金提供的额外自由度尚未得到充分利用。

图1 AM合金制备方法示意图（a）激光粉末床融合（LB-PBP）；（b）激光定向能沉积（LB-DED）；（c）粘合剂喷射（BJP）

图2 增材制造316L的微观结构

图3 17-4PH钢经热处理后的裂纹路径

图4 LB-PBFTi6Al4V在不同方向上的裂纹分布

大多数AM合金的原材料都是粉末状的，因此在产品中气孔是不可避免的，采用损伤容限方法对AM制造的构件进行设计是保证结构完整性和可靠性的最佳途径。在这种方法中，缺陷的存在被认为是理所当然的，这使得微观和介观结构对疲劳裂纹扩展和裂纹闭合行为的作用变得重要。因此必须详细了解加工条件如何影响孔隙率，由于缺陷大小、形状和位置等方面在决定零件疲劳寿命方面起着至关重要的作用，需要对它们进行详细的表征。目前尚未引起重视的AM合金的应力腐蚀开裂和氢脆等问题需要进一步研究，未来将进一步应用模拟技术，基于AM合金组织-断裂/疲劳性能关系模型仍有待研究。本文为AM合金的研究现状进行梳理并对未来研究方向进行展望规划，有助于AM合金的发展应用。

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