3D打印金属材料疲劳实验及数值模拟研究综述

叶万蓉 曾国伟 闫相木 邱乙 张博文

(武汉科技大学理学院 湖北武汉 430065)

目前金属3D 打印的方法按输出能量来划分主要有激光、电弧、电子束等[1-4]。激光3D打印技术包括以同步材料送进为主要技术特征的激光立体成形技术和以粉末床（Powder Bed Fusion，PBF）为主要技术特征的选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM)技术等，选区激光熔化技术首先通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据，然后利用高能激光或电子束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，之后通过逐层铺粉、逐层熔化凝固堆积的方式，实现三维实体金属零件的制造，具有成形零件精度高、较适应于打印小件、成形零件的力学性能良好等优点。国内外激光3D打印技术的金属材料一般有工具钢、马氏体钢、不锈钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。

为了充分利用金属3D 打印技术，必须了解3D 打印金属零件的疲劳行为。疲劳失效中由于循环应力引起的损伤，是最常见的失效模式之一。例如：飞机或汽车发动机中的Ti6Al4V压气机和涡轮叶片受到频率大于1 kHz 的高频循环载荷。疲劳性能的评估通常采用应力-寿命（S-N）或应变-寿命（ε-N）方法，其中N表示循环失效。

金属和合金在3D 打印技术中的使用使得工程师能够制造具有高力学性能的复杂形状零件。然而，3D打印过程中复杂的物理化学冶金状态导致了表面和内部缺陷、孔隙率，而熔化和凝固过程中则会产生各向异性的组织，导致各向异性的性能。因此，3D 打印金属基材料力学行为需要为3D 打印构件的设计和评价提供全面的认识。在这些缺陷中，孔隙率、表面粗糙度和残余应力是影响HCF强度的关键因素。因此，研究缺口、缺陷和高温共同作用下的3D打印不锈钢高低周疲劳力学性能对于3D 打印部件的服役性能有着重要的工程应用价值。该文拟结合材料制造因素，对钛合金、不锈钢和铝合金这3 类材料的疲劳断裂文献进行分析，为3D打印金属的疲劳破坏机理研究提供依据。

1 钛合金

Ti-6Al-4V 等钛合金由于具有较高的强重比、优异的力学性能和生物相容性，在航空航天零部件和生物医学植入物的生产中都得到了广泛应用。在航空航天工业中，拓扑优化可以用来创建复杂的几何结构，可以减轻结构件的重量，从而有效地提高燃油效率。在生物医药行业，3D 打印为病人量身定做定制零件，这些零件更好地适合不同人体。PEGUES J等人[1]研究零件尺寸与表面粗糙度、表面积和尺寸对激光粉床熔合（L-PBF）试件在建成条件下疲劳行为的影响，直接将这些试件性能与不同零件尺寸对应的疲劳性能相关联。结果表明，疲劳行为对零件直径比表面积更敏感。直径为4.90 mm或以下的零件表现出较高的表面粗糙度，随着零件直径的减小，表面粗糙度引起的载荷与名义应力幅值的差值增大，导致高周疲劳数据存在明显的分散性。

3D打印过程所产生的结构一般为马氏体结构（由于冷却速度较高），先天就具有表面粗糙度、残余应力和孔洞。后加工处理通常是为了降低表面粗糙度，而热处理采用热等静压（HIP），可以降低残余应力，将脆弱的马氏体结构转变为更韧性的结构，并减少孔洞的尺寸。为了避免表面粗糙度对失效寿命的影响，KAHLIN M 等人[2]对试件表面进行了抛光处理。通过增量步骤试验获得了材料塑性循环曲线。为了验证孔洞的存在，考察晶粒的取向和分布，观察了材料的显微组织。对试件进行了单轴和非比例应变路径的应变控制试验。疲劳寿命、硬化-软化曲线、循环应力-应变曲线和裂纹等已与有关试件品种进行了分析和讨论。

非比例载荷定义为在循环过程中主应力方向发生变化的载荷，由于多个滑移带的激活和附加硬化而导致疲劳寿命降低。机械部件在过载或应力集中作用下的疲劳失效主要受循环塑性变形控制。因此，研究材料在多轴非比例加载下的塑性响应对于准确设计承受上述条件的构件至关重要。BRESSAN S等人[3]对试件进行了单轴和非比例应变路径的应变控制试验，研究了层取向、卸应力热处理和缺陷对低周应变控制多轴疲劳和塑性行为的影响。

疲劳裂纹扩展往往代表疲劳寿命的显著部分。混合模式疲劳裂纹扩展可以是多轴载荷或组合应力条件下总疲劳寿命的显著部分。当裂纹扩展过程中裂纹方向发生变化时，其速率也可能发生变化。要充分认识Ti-6Al-4V 合金的疲劳失效机理，有必要对其疲劳裂纹扩展行为进行研究。实验证据表明，3D打印钛合金的疲劳裂纹扩展速率不同于锻态和锻态合金，原因在于其在其疲劳裂纹扩展速率和生长轨迹形状方面具有独特的组织和层数。WANG X Y 等人[4]建立了考虑局部屈服强度和组织异化效应的修正FCGR小裂纹扩展模型。利用原位SEM 观察了小裂纹的扩展过程和路径。详细讨论了显微组织对裂纹扩展行为的影响，特别是对穿晶裂纹扩展速率的影响，提出了一种改进的CTOD模型用于小裂纹FCGR预测，将该模型的性能与现有模型进行了比较。

虽然裂纹扩展机制常在单轴加载和Ⅰ型裂纹扩展下进行研究，但当构件在服役过程中受到多轴载荷作用时，萌生的疲劳裂纹可向不同方向扩展，出现混合模式裂纹扩展，当存在缺口等压力集中时，这种情况可能变得更加复杂。BENEDETTI M等人[5]研究了铸态和机加工表面退火激光粉末床熔合（LBPBF）Ti-6Al-4V 试样的单轴缺口疲劳和裂纹扩展行为。利用已建立的表面条件建立了尖V 形缺口试样和钝缺口试样，并利用圆柱杆加工了缺口试样。研究发现，缺口疲劳强度主要受缺口根部附近最大缺陷的支配。缺口和应力集中部位能显著影响零件的承载能力，在服役载荷条件下会导致早期和意外的失效。MOLAEI R 等人[6]研究了两种3D 打印合金，包括Ti-6Al-4V 和17-4PH 不锈钢的缺口多轴疲劳行为，在未加工和已加工表面条件下以及有无HIP 处理情况下，采用基于临界平面的方法和基于断裂力学的方法对多轴疲劳数据进行关联，并对不同载荷条件下的疲劳寿命进行估算。

2 不锈钢

不锈钢可在固溶处理条件下生产，由于其碳浓度较低，易于加工，经适当热处理后，具有较高的拉伸/冲击强度、断裂韧性和耐腐蚀性等优异的力学性能，因此，广泛应用于制作航空工业、核工业、海军工业和化学工业中高强度和耐腐蚀性的部件。

17-4PH 型不锈钢具有高的抗应力腐蚀性能和高的断裂韧性，是应用最广泛的PH 马氏体不锈钢之一。17-4PH不锈钢的力学性能是通过回火处理来定制的，也称为时效或时效硬化。CARNEIRO L 等人[7]在环境空气中对常规制造和3D打印的17-4PH不锈钢进行了静态和疲劳试验。发现两种工艺条件下的抗拉强度相近，但3D 打印不锈钢的塑性明显低于常规制造不锈钢。两种材料的应变-寿命疲劳曲线都表现出从低周疲劳区到高周疲劳区的转折点。制造过程中产生的缺陷和孔隙，导致3D 打印不锈钢的疲劳性能和延展性减弱。

LEE S J 等人[8]采用激光束粉末床熔合（LB-PBF）技术制造304L不锈钢（304L不锈钢）零件，研究了未加工和机械加工抛光两种不同表面条件下的疲劳行为。利用数字三维显微镜进行表面粗糙度测量，并提供了各种表面粗糙度参数的值，评估表面粗糙度和载荷对LB-PBF 304L不锈钢循环变形和疲劳行为的影响。通过严格的试验方法，采用事后断裂分析和经典疲劳建模方法，研究了应力和应变疲劳试验对表面粗糙度的敏感性。

在应用于金属材料的3D打印技术中，选择性激光熔化（SLM）因其接受的材料范围大、产生的功能部件高而备受关注。表面粗糙度是SLM 成功的关键因素。建成状态下SLM零件表面粗糙度较高。而阶梯台阶效应、部分熔融颗粒粘在表面、不稳定的熔池加剧了SLM钢的表面粗糙度。LIANG X 等人[9]提出了一种扩展的显微结构敏感有限元建模方法，并将其应用于3D打印316L。建立的数值模型同时考虑了表面缺陷和典型微结构属性。由于实验结果大多反映了缺陷和微观组织的综合竞争效应，因此采用计算机模拟来区分这些控制参数。结果表明，未融合缺陷是高频疲劳失效的最有害因素。未融合缺陷在织构、粗糙度以及晶粒尺寸和形貌上占主导地位。显微结构织构具有显著的影响。发现优先取向对SLM 制造的316L 疲劳行为的影响，使耐久极限降低10%。当表面或附近存在未融合缺陷时，制备试样测得的粗糙度对疲劳强度没有明显影响。

疲劳裂纹扩展行为及其对微结构的依赖是基于损伤容限方法预测金属构件使用寿命的重要因素。因此，NEZHADFAR P D 等人[10]研究L-PBF 方法制造的17-4PH 不锈钢的与微结构相关的开裂行为。选择了两种热处理工艺，一种提高强度，另一种提高延伸率，得到不同的组织特征。继而研究了微结构对裂纹扩展行为的影响，并将17-4PH的疲劳裂纹扩展行为与传统锻造件2 的疲劳裂纹扩展行为进行了比较。结果表明，随着裂纹沿着柱状晶相对缺口方向垂直拉长，大部分穿晶裂纹扩展行为由II 型裂纹转变为穿晶+沿晶裂纹扩展的混合模式。

朱继宏等人[11]以3D 打印316 钢为对象，通过仿真手段研究其高周疲劳性能，研究表明循环载荷下滑移带与晶界处的裂纹萌生是3D 打印316 钢材料发生高周疲劳的主要原因。易敏等人[12]针对激光选区熔合技术，提出了集成离散元法、非等温相场模型、晶体塑性有限元法的顺序耦合计算框架。上述工作证明，晶体塑性有限元法（CPFEM）能够预测多晶材料在单调、蠕变和疲劳载荷条件下的全局和局部应力应变响应。

3 铝合金

铝合金具有质量轻、强度高、耐腐蚀、可焊性好等特点，由铝合金组成的工程构件传统上采用铸造、锻造、挤压、粉末冶金等工艺。近年来，随着3D 打印（AM）技术的发展，越来越多的企业开始采用选择性激光熔化（SLM）工艺制备铝硅基合金（AlSi），特别是AlSi10Mg，使其适用于汽车、航空航天、机械及工装、国防、建筑等行业。

MUHAMMAD M 等人[13]生成4 种不同LB-PBF 铝合金的拉伸和疲劳数据，在未加工和已加工的表面条件下对这些合金的疲劳行为进行评价。此外，观察到的拉伸和疲劳行为将从热处理后的微观组织来解释。结果表明，对于未加工3D 打印铝合金试样，表面微缺口是疲劳裂纹萌生的原因。然而，对于已加工试件，裂纹起源于体积缺陷，已加工试样的体积缺陷周围晶粒细小，更耐疲劳裂纹萌生。研究热处理和构筑取向对3D打印的AlSi10Mg拉伸和疲劳行为的影响。

近年来，随着安全要求的不断提高，越来越多的工程构件被设计成承受107个循环（称为极高周疲劳，VHCF）以上的疲劳寿命，甚至高达108～109个循环。对于低周疲劳，只需消耗少量的加载循环就可萌生裂纹。然而，在高周和极高周疲劳工况下，超过80%～90%的疲劳寿命将消耗在裂纹萌生阶段，这与低周疲劳工况完全不同。

疲劳寿命分布的统计极值主要基于大量的实验数据。实验结果表明，高周和极高周疲劳寿命存在分散性，这是由于微观结构和缺陷分布的变化造成的。然而，通过实验数据采集来重建微结构非常缓慢和复杂。提高SLM 成形AlSi10Mg 疲劳性能预测效率的最佳途径之一是采用先进的计算技术，即晶体塑性有限元（CPFE）框架。CPFE方法使我们能够用较好的近似实现复杂的算法来模拟金属结晶系统中尺度行为的非线性物质响应。

ZHANG J M等人[14]基于CPFE模拟研究了3D打印Al Si10Mg 合金的高周和极高周疲劳行为。目的是了解SLM 成形取向和缺陷对AlSi10Mg 合金疲劳性能的影响及其机理。结果表明，成形取向与应力比对SLM成形AlSi10Mg的疲劳性能有很大影响，缺陷显著降低了试件的高周和极高周疲劳性能。

4 结语

总体来说，目前针对3D打印金属材料疲劳寿命研究，主要围绕钛合金、不锈钢和铝合金展开，针对随机性和失效模式，大多数研究工作都是基于试验结果，采用缺陷几何和位置参数、微观结构和材料参数来表征3D 打印金属材料应力强度因子、疲劳极限，从而预测疲劳性能。兼顾高计算效率与高保真的数值模拟工作开展得较少，因此，有必要建立考虑増材制造金属微观组织结构的数值模型，进而研究其损伤演化、裂纹扩展与寿命估算与微观结构的关联规律。