增材制造金属材料的疲劳性能研究综述

王德鑫

摘   要：3D打印技术成为备受瞩目的技术，发展出很多分支，特别是近年的金属增材制造成为增材制造领域的重要发展方向，在航空航天等各个领域的产品设计方式方面体现出极大的优越性。本文首先介绍了金属增材制造技术的分类及常用材料的特性，然后明确了疲劳特性在零件设计中的重要性，重点对金属增材制造零件疲劳性能的影响因素进行了分析，给出了相应的改进措施，最后还讨论了金属增材制造技术存在的局限，指出了未来的发展方向。

关键词：金属材料  疲劳性  研究综述  增材制造

中图分类号：TG456                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0085-03

1  增材制造技术简介

增材制造（addictive manufacturing，以下简称AM）即为人们熟知的3D打印技术，其原理可概括为“分层制造，逐层叠加”。与传统的制造方法如铣刨磨（通常被称为减材制造）相比，AM具有很多优势，如无材料浪费、可制造复杂几何形状零件等。

金属AM的类别包括：定向能量沉积（DED），粉末床熔敷（PBF）和薄板层压（SL）。DED用于修理和翻新金属零件及大规模制造，PBF用于生产需要高分辨率和严格的建造精度的复杂几何形状，而SL具有连接异种金属以生产具有特定性能的部件的能力[1]。

2  增材制造材料的宏观特性和微观结构

AM材料以光聚合物和热塑材料为主，金属AM由于面临问题众多，例如生产效率、质量稳定性、成本控制方面不能满足商业化生产需求，导致其占比很小，但近年来，金属AM在航空航天等领域的高速发展使其成为AM的一个发展方向。钛及钛合金可制造高性能零件，但传统加工成本高、时间长，AM致力于解决这些问题，是金属AM应用最广的材料，目前用于航空航天的Ti-6Al-4V正被广泛研究[2]。

Ti-6Al-4V在室温下由V稳定的体心立方堆积β相和Al稳定的密排六方堆积α相组成[3]。AM的Ti-6Al-4V具有精细的网状组织，这是因为在AM过程中，材料经历复杂的热循环，这涉及到高于熔化温度的快速加热和在热源移动之后熔融材料的快速凝固，以及大量的重新加热和重新冷却，导致所形成微观结构不平衡，即AM材料常常表现出各向异性，这使得其微观结构的建模具有挑战[4]。

3  疲劳性能分析

3.1 疲劳性能的研究价值

金属AM零件在应用中的关注点是其抗疲劳性，为了在零件中采用AM技术，疲劳载荷下的材料性能必须量化且可重复。布兰德尔等人使用计算机断层扫描技术来识别材料缺陷，并使用线性弹性断裂力学软件来模拟这些缺陷对AM Ti-6Al-4V疲劳寿命的影响[5]。這些表明断裂力学的方法可用于评估AM金属及合金的性能，对量化且评估AM零件材料性能都具有指导意义。评估疲劳性能的常用实验是疲劳裂纹扩展和疲劳寿命实验。疲劳裂纹扩展测试在带有尖锐裂纹的预开缺口试样上进行，以确定给定载荷条件下的裂纹扩展速率[6]。疲劳寿命测试在光滑的样品上以变化的轴向或弯曲交替应力幅度进行，以确定材料在失效之前可以承受的循环次数[7]。

总的来说，研究和理解AM材料在多轴应力状态下的疲劳行为至关重要。

3.2 疲劳性能的影响因素

金属AM零件疲劳特性的影响因素有内部缺陷、表面粗糙度、制造参数等，这些因素共同影响着AM零件的疲劳性能。

3.2.1 制造参数

Sterling等人使用两种不同的制造参数将Ti-6Al-4V的AM样品与锻造材料进行比较，发现不同的加工参数会导致不同的机械性能，同时他们的轴向疲劳实验表明，与锻造材料相比，AM材料的寿命更短[8]。金属AM采用的材料通常具有不同程度的质量、孔隙率、清洁度、形状和大小等，容易产生孔隙和缺乏熔合等缺陷。扫描间距、制造方向、激光（或其他能量源）功率、扫描速度等制造参数会对零件的疲劳性产生影响。

许多研究已经证实了建造方向取向不同对金属AM材料的拉伸和疲劳性能的影响[9]。Ali Fatemi等人观察了在扭转载荷的低周疲劳状态下各种AM试样的裂纹取向，发现所有失效裂缝都是水平的。他们表明尽管破坏平面与最大剪切平面重合，但对此最合理的解释是破坏平面是垂直样本构建方向的弱平面[10]。

3.2.2 表面粗糙度

AM通常会导致金属表面粗糙度增加[11]。Leuders等人表明AM的Ti-6Al-4V裂纹扩展行为和与传统板材相比较，但是AM样品粗糙表面为疲劳裂纹提供成核位置，跳过了裂纹形成这一过程，造成疲劳寿命与锻造相比有所下降[12]。Sun等人研究了表面光洁度条件对AM的Ti-6Al-4V试样力学性能的影响，显示出蚀刻或机加工对试样表面光洁度的显著影响，通过增加表面光洁度可显著提高疲劳寿命。Wycisk等人进行的高周疲劳测试结果也表明，与原试样状态相比机加工试样的疲劳极限要高得多，这些表明在不同的金属AM工艺中，通过后续加工降低表面粗糙度会使疲劳寿命增加。

3.2.3 材料缺陷

在AM材料上进行的轴向疲劳试验分析表明，与锻造的Ti-6Al-4V相比，孔隙率是导致较短的疲劳寿命的主要因素。除影响疲劳性能外，材料缺陷还会导致实验数据的分散性增加，并且制造条件不同也会使数据中存在分散性，从而使疲劳性能评估变得相当困难。研究表明，大多数样品在高循环疲劳状态下的裂纹取向为45°，表示最大主平面上的破坏。但是，有一项测试与这些观察结果不一致，在垂直剪切面上发生了裂纹萌生和扩展，对此差异的合理解释是该垂直平面中孔隙的方向和合并[10]。

3.2.4 总结

通过对疲劳性能影响因素的比较，我们得出表面光洁度和内部缺陷都会影响材料的疲劳性能，而且发现通过机加工提高表面光洁度可能会将内部缺陷带到表面，对疲劳性能反而有不利影响。Edwards和Ramulu对机械加工和未机械加工的Ti-6Al-4V标本进行了单轴疲劳测试，结果表明，由于AM材料表面光洁度不理想，拉伸残余应力和孔隙率的存在，与锻造材料相比，AM金属疲劳性能降低75%。由此可得出结论：大多数情况下，AM材料疲劳性能并不理想。

4  疲劳性能改进措施

4.1 HIP简介

为了改善AM材料的疲劳性能，我们通常采用一些后续热处理技术，其中最常应用的是热等静压工艺（Hot Isostatic Pressing，以下简称HIP）。HIP是使用高压和高温的联合作用，来使AM零件的微观结构均匀，同时也可以使它们的基体致密化和消除残余应力。

有研究数据表明，通过热等静压处理来使材料致密化可以改善疲劳性能，其值可与铸造和锻造材料媲美[13]。Leuders发现HIP处理则可以理想地封闭内部孔，使组织粗化并减轻残余应力，从而使AM材料的抗疲劳性得到改善。此外，还有许多文献中的研究也证实了HIP可以增强材料的疲劳性能[9]。我们得出结论，热处理可以增加样品的疲劳寿命，这归因于微观结构的变化以及AM过程中产生的残余应力的减轻。

同时研究还表明，在较高应力水平下未经热处理的机加工不会显著延长疲劳寿命[14]。Kasperovich和Hausmann进行的疲劳测试的比较表明，表面光洁度对于增强HIP样品的疲劳性能仍然很重要[15]。根据他们的结果，与只进行HIP相比，对HIP样品进行机加工来提高表面光洁度可使材料的疲劳强度提高一倍。所以无论何时，都应该将HIP工艺视为一种热处理方法来使用，并在机加工试样之前进行，因为它无法完全消除表面缺陷。

4.2 HIP存在的问题

虽然HIP应用广泛，但要将关于HIP的这些发现推广到其他AM材料，还要考虑其他材料本身的性质（例如破坏机理等）。Leuders等人进行的一项研究使用的材料为L-PBF工艺制造的316L SS，该材料在HIP处理后仍表现出明显的疲劳行为，这是由于Ti-6Al-4V的失效机制由空隙主导，采用HIP工艺后，而在循环载荷下316L SS的损伤演化受空隙影响并不大[16]。这说明HIP对于该材料来说不是最好的增加疲劳性能的方法，即HIP不具有普适性。同时还应注意到HIP不能消除裂纹和夹杂物缺陷，也非适用于所有材料，因此更应该注重的是提高AM件本身的质量，仅把热处理工艺作为辅助手段。为保证材料的表面光洁度，在任何一种材料上进行HIP后，不再进行任何热处理。

5  挑战与展望

截至目前，大部分有关AM金属疲劳性能的研究都只考虑了轴向或弯曲载荷，在扭转和多轴载荷条件下研究较少，所以我们无法全面理解AM材料的疲劳性能。因此，必须了解这些零件在扭转和多轴载荷条件下的疲劳性能。

与锻造相比AM可提供許多好处，但仍存在许多问题亟待解决，主要包括内部缺陷，残余应力和粗糙表面等。在未来研究中，仅通过在某些关键位置改善质量并减少缺陷，进而在AM部件上提高抗疲劳性会更为经济，例如已经有研究只将特定的激光参数设置用于表皮层，可以在不延迟生产的情况下获得具有较好的表面质量;或者考虑到将材料中的弱平面远离零件的加载方向，是提高AM零件疲劳性能的另一种解决方案[11]。

AM工艺是通过更改各种参数来创建具有相同几何形状的零件，所以将AM金属中的加工参数与结构和机械性能联系起来的主要问题是所用加工参数信息的稀疏性和分散性。在未来需要进行更多的实验研究，以定量地关联AM制造的零件的制造参数、微观结构和机械性能。

定向能量沉积有基于粉末和金属丝两大类。其中金属丝技术的最大优势是沉积速度高、部件尺寸大、污染少且材料成本低[17]。由于金属AM工艺很多，不同增材制造工艺所得零件性能也会有所差异，所以各工艺优缺点的比较有很大的意义。在未来，研究各种AM工艺具有的特点，并建立不同工艺与所得材料性能的对应关系，将成为大势所趋。

参考文献

[1] Y. Kok， Anisotropy and heterogeneity of microstructure and mechanical properties in metal additive manufacturing： A critical review， Mater. Design（2018）.

[2] D. Herzog， Additive manufacturing of metals， Acta Mater （2016）.

[3] A.M. Beese， Chapter 5 - Microstructure and Mechanical Properties of AM Builds， M. Gouge， P. Michaleris （Eds.） （2018）.

[4] X. Tan， Graded microstructure and mechanical properties of additive manufactured Ti-6Al-4V via electron beam melting， Acta Mater（2015）.

[5] E. Brandl， Effects of defects， Materials & Environmental Testing （2012）.

[6] ASTM E2760. Standard test method for creep-fatigue crack growth testing（2010）.

[7] ASTM E466-15. Practice for conducting force controlled constant amplitude axial fatigue tests of metallic materials （2015）.

[8] Sterling A， Fatigue behaviour of additively manufactured Ti-6Al-4V， Procedia Eng.（2015）.

[9] Mower TM， Mechanical behavior of additive manufactured， powder-bed laser-fused materials， Mater Sci Eng.（2016）.

[10]A. Fatemi， Torsional fatigue behavior of wrought and additive manufactured Ti-6Al-4V by powder bed fusion including surface finish effect， Int. J. Fatigue（2017）.

[11]M. Mohammadi， Achieving low surface roughness AlSi10Mg_200C parts using direct metal laser sintering， Additive Manufacturing（2018）.

[12]M. Strantza， Acoustic emission monitoring of crack propagation in additively manufactured and conventional titanium components， Mechanics Research Communications （2017）.

[13]E. Brandl， Microstructural and Mechanical Properties of Additive Manufactured Titanium （Ti-6Al-4V） Using Wire， PhD thesis， TU Cottbus （2010）.

[14]Aboulkhair NT， Improving the fatigue behaviour of a selectively laser melted aluminium alloy： influence of heat treatment and surface quality， Mater Des（2016）.

[15]Kasperovich G， Improvement of fatigue resistance and ductility of Ti-6Al-4V processed by slective laser melting， J Mater Process Technol（2015）.

[16]Leuders S， On the fatigue properties of metals manufactured by selective laser melting – the role of ductility， J Mater Res（2014）.

[17]B. Baufeld， Wire based additive layer manufacturing： Comparison of microstructure and mechanical properties of Ti–6Al–4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition， Journal of Materials Processing Technology  （2011）.

[18]A. Yadollahi， Additive manufacturing of fatigue resistant materials： Challenges and opportunities， Int. J. Fatigue（2017）.