增材制造金属材料的疲劳性能研究进展

代俊林，吴世品,2*，张宇，王雪娇，马强

轻合金成形

增材制造金属材料的疲劳性能研究进展

代俊林1，吴世品1,2*，张宇1，王雪娇1，马强3

（1.天津职业技术师范大学，天津 300072；2.天津大学 现代连接技术实验中心，天津 300350；3.天津金桥焊材集团有限公司，天津 300399）

金属增材制造作为前沿热点制造技术之一，近年来在各种重要工业领域的研究和应用日益广泛。利用增材制造技术制备金属材料的过程中，不可避免会造成材料表面粗糙、气孔、未熔合等缺陷，虽然工艺技术的改进可以在一定程度上减小缺陷程度，但至今仍无法完全消除这些缺陷。增材制造金属材料的过程中，缺陷部位通常会成为应力集中源诱发疲劳裂纹的形核，造成金属材料的疲劳寿命下降。首先从表面质量、内部缺陷及微观结构等方面阐述了增材制造金属材料疲劳性能的影响因素；其次从宏观与微观角度概括了疲劳裂纹萌生/扩展机理的研究现状与进展；总结了热处理、表面优化、电磁辅助以及超声辅助等疲劳延寿技术的研究进展；最后讨论了基于机器学习技术的疲劳寿命评估模型，同时展望了机器学习和人工智能技术在增材制造金属材料领域的应用前景，为推动增材制造金属材料的发展和应用提供了借鉴与参考价值。

增材制造；金属材料；缺陷；疲劳寿命；疲劳裂纹；劳寿命评估

增材制造（Additive Manufacturing，AM）作为现代制造领域前沿热点技术之一，是一种通过计算机辅助设备建立数字模型并逐层堆积材料用以完成最终所需产品的现代制造工艺方法[1-2]。增材制造技术可以实现无模生产，满足近净成形现代化产品零件的制造，效率高，工时功耗低，符合绿色制造的发展理念[3-4]。目前，增材制造技术广泛应用于各种关键材料、零部件和设备的设计、生产与开发[5-7]。

随着增材制造技术的发展，增材制造金属材料的静态/准静态力学性能与锻件性能基本相当，甚至优于锻件，但增材制造金属材料的疲劳性能与锻件还有一定差距，且疲劳寿命分散性较大。相关研究表明，增材制造金属材料的疲劳性能与其表面质量、内部缺陷、微观组织结构及残余应力状态等因素密切相关[8]。利用增材制造技术制备金属材料时不可避免地会产生夹渣、气孔、微裂纹等缺陷，当这些含有缺陷的金属材料在服役过程中，承受交变载荷时，极易引起疲劳破坏。此外，增材制造是一个急热急冷的过程，制造的金属成形件因受到外部的拘束，会产生一定的内应力[9]，当内应力较大时，增材制造金属材料可能会出现裂纹和变形，导致整个构件报废；当内应力较小时，成形初期增材制造金属材料的变形不明显，但随着其服役时间的增加内部残余应力释放或者重分布，可能会诱发疲劳开裂[10]。为了更好地阐述增材制造金属材料的疲劳性能研究现状，本文从增材制造金属材料疲劳性能的影响因素、疲劳裂纹萌生/扩展机理、疲劳延寿技术和疲劳寿命评估等方面阐述了研究进展，期望为增材制造金属材料疲劳寿命的提高和发展提供借鉴与参考。

1 增材制造金属材料常用技术

根据增材制造过程采用的热源不同，金属增材制造技术主要分为：激光增材制造技术、电弧增材制造技术和电子束增材制造技术等[11-13]。

激光增材制造技术又被称为激光成形3D打印技术，其工作原理是先通过计算机辅助设计所需的三维模型，然后将三维模型进行数据分层，最后再通过激光束产生的高能量将材料熔化，按照在计算机上设定的程序逐层堆积生成三维实体[14]。激光增材制造技术具有灵活性高、运行空间范围广等优势，通常用于制造结构复杂、加工难度高的零件，同时又可以保证金属零件的成形质量、加工效率以及制造成本[15]。图1所示为常用的激光增材制造原理图，其中图1a为激光选区熔化技术（SLM），图1b为激光熔化沉积技术（LMD）。

电弧增材制造技术是指利用电弧为热源，按照特定加工程序实现逐层熔覆。根据计算机辅助构建的线-面-体三维数字模型，采用电弧作热源将丝材熔化，然后在规划的路径上层层堆积，最终形成三维实体的金属零件。常用的电弧增材制造技术包括：熔化极惰性气体保护焊（MIG）、氩弧焊（TIG）、TIG-MIG复合焊、冷金属过渡焊（CMT）和等离子弧焊（PAW）等，其原理如图2所示。电弧增材制造技术的优势在于可以实现大尺寸、形状不太复杂的金属构件一体化成形，生产效率相对较高，成本低，性能稳定[17]。与激光增材制造技术相比，电弧增材制造的热源能量大而不集中，熔池尺寸大，表面质量和精度相对较低。

图1 激光增材制造原理图[16]

图2 电弧增材制造原理图[18]

电子束增材制造技术的工作环境是真空条件下，以高能量的电子束快速熔化金属粉末或者金属丝，经过层层堆积直至金属构件加工完成[19]，其原理如图3所示。与激光增材制造技术和电弧增材制造技术相比，利用电子束增材制造技术制造的零件缺陷少、致密度高，且残余应力水平相对较低，但是成本相对较高。

图3 电子束增材制造原理图[20]

2 增材制造金属材料疲劳性能的影响因素

2.1 表面质量对疲劳性能的影响

增材制造金属材料表面缺陷一般包括成型件表面粗糙度过大、表面裂纹及变形等[21-22]，在增材制造过程中熔池失稳、复杂的热循环、有害残余应力等因素均会导致金属材料表面缺陷的产生[23]。当增材制造金属材料存在表面缺陷时，缺陷处极易成为疲劳裂纹源，在交变载荷下，极易发生疲劳破坏，降低成形件的疲劳寿命。李雯哲等[24]通过探讨增材制造中高强铝合金的缺陷对其力学性能的影响，发现铝合金粉末的激光反射率高，导致激光熔融过程中用于熔化合金粉末颗粒的激光能量不足，相邻层之间的熔融重叠不充分，造成增材制造高强铝合金表面产生未熔合缺陷，严重影响其疲劳性能。

增材制造金属材料的表面粗糙程度大小也是影响金属材料疲劳性能的重要因素之一。粗糙表面为疲劳裂纹提供了形核位置，加速了疲劳裂纹的萌生/扩展，导致金属材料疲劳寿命下降。Sterling等[25]和Razavi等[26]测试激光增材TC4钛合金疲劳性能时发现，当TC4钛合金表面粗糙度过大时，试样表面容易产生疲劳裂纹，疲劳性能大幅下降；反之，当增材制造金属材料表面粗糙度较小时，其疲劳性能显著改善。Yu等[27]研究选择性激光熔化Ti-6Al-4V合金的疲劳性能的影响因素，发现通过超声冲击、抛光和车削等方式处理合金试件表面后，光滑的表面会产生较大残余压应力，有效抑制了疲劳裂纹的萌生/扩展，延长了Ti-6Al-4V合金材料疲劳寿命。如图4所示，图4a～e是增材制造Ti-6Al-4V合金试样表面不同粗糙度的示意图，图4f是不同粗糙度下试样对应的疲劳循环失效次数示意图，结果显示，#1试件表面粗糙度最高，对应的疲劳寿命最短；#5试件经过加工，表面粗糙度最低，对应的疲劳寿命最长。

图4 激光熔化Ti-6Al-4V合金试样表面粗糙度与对应循环失效次数示意图[27]

2.2 内部缺陷对疲劳性能的影响

在增材制造过程中，如果工艺参数匹配不合理，金属材料很容易产生气孔、层间未熔合、氧化夹杂物和微裂纹等典型的内部缺陷[28]。图5为金属激光增材制造中熔池、气孔以及几种典型内部缺陷的微观示意图，其中气孔类缺陷主要是熔池金属液流中气泡未能及时逸出而形成的；未熔合缺陷主要是由于道间重叠不足造成的。未熔合缺陷相对于气孔缺陷，形状更加复杂，尺寸更大，更容易引起疲劳失效。

当增材制造金属构件存在内部缺陷时，在缺陷处会产生较大的应力集中，在服役过程中应力集中处易出现疲劳裂纹，严重影响金属材料疲劳性能，且疲劳寿命的分散性较大[30]。杨薇等[31]采用激光选区熔化成型技术制备了燃油喷嘴，测试其性能时发现构件的内部缺陷处应力集中点，在外界载荷作用下，此处的应力会在短时间内迅速增大，当应力增加到一定程度后，在应力集中点处萌生疲劳裂纹并迅速扩展，最后发生疲劳断裂。Edwards等[32]研究了选区激光烧结TC4钛合金的疲劳性能，研究表明增材制造金属材料内部气孔体缺陷的存在，一方面会减小焊缝的真实截面积、降低气密性，另一方面会引起局部区域应力集中，进而诱发疲劳裂纹的萌生/扩展，导致疲劳寿命下降。Fatemi[33]和Stwora[34]研究了增材制造Ti-6Al- 4V合金的疲劳性能，并总结了增材制造中不同缺陷引起的不同类型的疲劳裂纹，如图6所示，图6a为内部气体逸出形成的近圆形气孔；图6b为近圆形气孔周围产生的疲劳裂纹；图6c为增材制造Ti-6Al-4V中的孔洞；图6d为增材制造Ti-6Al-4V中的球状凸起；图6e和图6f为未熔颗粒引起的LOF缺陷；图6g为LOF缺陷引起的疲劳裂纹；图6h为增材制造Ti-6Al-4V样品各向异性和球化现象；图6i为α相引起的疲劳裂纹。

图6 增材制造Ti-6Al-4V合金缺陷及其疲劳裂纹存在类型[33-34]

2.3 微观组织对疲劳性能的影响

增材制造金属材料的疲劳性能不仅与表面质量和内部缺陷有关，微观组织特征对疲劳性能也有一定的影响。当金属材料中存在不均匀的组织结构、元素偏析、孪晶界、织构、夹杂物和粗大晶粒等微观组织特征时，疲劳裂纹可能会在这些区域优先形核，最后形成疲劳裂纹。增材制造过程存在极大的温度梯度和冷却速率，容易引起不均匀的微观组织结构，同时会产生微观残余应力。微观残余应力一般在不均匀组织结构、特殊晶界/相界或织构处较大，随着残余应力的积累，晶粒发生变形，甚至开裂，从而影响金属材料的疲劳性能。此外，如果增材制造金属材料的组织形貌和取向不同，也会引起疲劳性能的各向异性，导致金属材料的抗疲劳性能降低。黄锨航等[35]发现通过定向能量沉积增材制造双相不锈钢的微观组织取向性不同时，其疲劳性能呈现各向异性。其中，其疲劳性能呈现各向异性。其中，构筑方向疲劳极限为300～325 MPa，而沉积方向上疲劳极限仅为175 MPa，较构筑方向的疲劳极限降低了45%左右。从图7可以看出，疲劳裂纹相对于晶界奥氏体的扩展路径而言，构筑方向和沉积方向疲劳性能的巨大差异是由于层间熔合区以及沉积层的反复加热形成的二次奥氏体的分布和取向与裂纹方向不同，导致疲劳裂纹萌生/扩展的阻力不同造成的。其中构筑方向上奥氏体的取向与裂纹方向垂直，对疲劳裂纹萌生/扩展的阻力更大，疲劳性能较好。

3 增材制造金属材料疲劳裂纹萌生/扩展

3.1 疲劳裂纹萌生/扩展的宏观表现

疲劳裂纹的演变一般分为3个阶段，第I阶段裂纹萌生，第II阶段裂纹扩展，第III阶段瞬时断裂。研究疲劳裂纹的萌生/扩展机理有助于从根源上改善增材制造金属材料的疲劳性能。从宏观角度分析，若增材制造金属材料存在表面成型质量不良、表面粗糙度大、孔隙率高、气孔、未熔合等缺陷时，这些宏观缺陷极易引起应力集中，造成构件疲劳失效。增材制造金属构件在进行低周或者高周疲劳试验时，随着循环周期的增加，在缺陷处的应力不断增加，疲劳裂纹优先在缺陷处萌生，裂纹萌生后逐步扩展，最后发生疲劳断裂失效。疲劳裂纹萌生的位置是表面缺陷和内部缺陷竞争的结果，当表面存在明显缺陷而内部缺陷不显著时，一般从表面缺陷处萌生疲劳裂纹；反之，当内部缺陷显著而表面质量良好时，疲劳裂纹从内部缺陷处萌生。

图7 构筑方向和沉积方向裂纹扩展示意图[35]

周宇豪等[36]研究发现，增材制造金属材料的孔隙率较低时，疲劳裂纹一般从表面粗糙的顶部产生，当高孔隙率高时，疲劳裂纹并未从最大拉应力的底部位置萌生，而是从内部的未熔合部位产生。增材制造金属材料构件的疲劳寿命关键影响因素是孔隙率还是表面粗糙度，主要取决于孔隙率是否达到临界值[37]。当孔隙率高于临界值且表面粗糙度达到20 μm时，孔隙率为关键因素，反之表面粗糙度为关键因素。宋沙沙等[38]通过分析电弧增材制备Al-Mg合金试样断口的疲劳裂纹源位置、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区和疲劳辉纹时发现，由于Al-Mg合金表面粗糙度过高，诱发了表面孔洞的形成，疲劳裂纹萌生于试样表面，裂纹呈放射状向四周扩展。吴圣川等[39]利用原位同步辐射X射线成像技术研究激光选区熔化成形Al- Si-10Mg铝合金内部的低周疲劳损伤演化行为过程，发现内部的孔隙率随着循环周次的增加由最初的0.25%增加至0.51%。激光增材Al-Si-10Mg铝合金材料的疲劳裂纹在孔洞处形核、生长、集会、连通，有效截面积不断减小，最终材料因疲劳裂纹的不断扩展，承载能力不足而发生失效断裂。Waaddell等[40]研究了同步辐射X射线成像获得的激光增材制造的Ti-6Al-4V钛合金内部疲劳扩散和演化行为。如图8所示，疲劳微裂纹长度由10万次时的135 μm扩展至12.5万次时的737 μm，疲劳裂纹长度增加了602 μm，且裂纹尖端呈半椭圆形。此现象主要是由于材料内部的平面约束力和物体上的平面应力共同作用引起的，较小的裂纹与周围的缺陷有很强的交互关系，此时裂纹的扩展行为更容易发生在孔隙率较高的区域。

3.2 疲劳裂纹萌生/扩展的微观表现

从微观角度分析，增材制造金属材料的孪晶界和晶界是疲劳裂纹容易萌生的区域。研究表明[41-42]，疲劳裂纹附近存在较多的滑移痕迹，这种现象表明晶界处萌生的疲劳裂纹是晶体发生大量滑移导致的。滑移面在晶界处受阻，形成了大量的位错塞积，位错塞积在晶界处会产生较大的应力，当应力峰值达到疲劳裂纹的临界值时引起晶界的疲劳开裂。此外，晶界内的位错塞积同时会受到晶粒尺寸的影响，晶粒尺寸越大晶界处的位错塞积就会越严重，晶界上的应变量也越大，越容易形成疲劳裂纹。

Ywa等[43]研究了经过热处理后的激光增材制造TC11合金在等轴晶粒和柱状晶粒区域中的裂纹扩展行为，结果表明等轴晶粒样品中裂纹扩展速率值较高，即使在应力强度因子值较低时，裂纹扩展速度依然较快；但是柱状晶粒样品中裂纹的扩展速率更高。等轴晶粒和柱状晶粒区域裂纹扩展速率的差异主要是由于αp薄片大小和形态的不同导致的。从图9可以看出，不同形态晶粒区域的疲劳微裂纹扩展路径不同，疲劳裂纹倾向于沿片层平行生长、沿相界面生长或沿团簇生长。池维乾等[44]探讨了增材制造Ti-6Al- 4V合金超高周疲劳裂纹萌生和扩展机理。研究表明，在超高周疲劳范畴内，增材制造Ti-6Al-4V合金的裂纹萌生和早期生长的机制归因于多次循环载荷下位错之间的相互作用引起的晶粒细化；在随后的循环载荷作用下，裂纹与在α相、晶界等位置形成的微裂纹相结合，加快了微裂纹的扩展。图10为增材制造Ti-6Al-4V合金试样在多次循环载荷下，内部位错相互作用产生的细化晶粒区域，其中区域2局部存在细化晶粒特征，区域4（光滑区）在靠近断裂表面的局部区域有明显的晶粒细化。

4 增材制造金属材料疲劳延寿技术

增材制造金属材料中存在多种缺陷和有害的残余应力是材料疲劳性能降低的主要原因。在增材制造过程中，累积的残余应力会引起裂纹，伴随着时间的推移，裂纹会不断扩展甚至导致材料变形失效。因此，消除或者减少缺陷和残余应力是提高材料服役寿命的有效手段。常用的疲劳延寿技术包括：热处理、表面优化、电磁辅助、超声辅助等。

图8 X射线成像的激光增材成形Ti-6Al-4V钛合金内部的疲劳损伤演化行为[40]

图9 不同晶粒形态下的疲劳裂纹[43]

图10 微观结构中不连续的细化晶粒区域[44]

4.1 增材制造工艺优化延寿技术

4.1.1 热处理工艺延寿技术

针对增材制造金属材料开展热处理可以消除或减小金属材料缺陷处的残余拉应力，延长其服役寿命。Leuders等[45]采用热等静压处理（Hot Isostatic Pressing, HIP）+热处理减少增材制造Ti-6Al-4V合金中的显微孔洞，降低了增材制造过程中形成的有害残余拉应力。Yadollahi等[46]研究发现激光增材制造不锈钢过程中形成的缺陷导致疲劳寿命偏低，但是经过热处理后，由于热处理释放了构件中的残余拉应力，使成型件的疲劳性能显著提高。谷美邦[47]研究了热处理对激光增材制造TA15钛合金疲劳性能的影响，研究发现，普通退火态激光增材制造TA15钛合金的疲劳极限优于双重退火态，其中普通退火态纵向取样条件下疲劳极限为400 MPa，较双重退火态的322.5 MPa高77.5 MPa，提高约24%。杜中祥等[48]研究了热处理对增材制造电子束选区熔化技术Ti-6Al-4V合金组织及性能的影响。研究结果表明，原始态光滑试样的疲劳强度为450 MPa，而经过热处理后试样的疲劳强度增加到550 MPa，疲劳强度提高了约18.2%；其疲劳性能提升的主要原因是热处理后光滑试样中有害的残余拉应力减小，整个试样的残余应力分布基本一致。

4.1.2 表面优化工艺延寿技术

增材制造金属材料的表面质量是影响构件疲劳强度的关键因素之一，增材制造构件表面质量不良或表面粗糙度增加均会降低疲劳寿命。粗糙的表面为疲劳裂纹提供形核位置，造成疲劳寿命有所下降，但是通过增材制造工艺优化改善金属材料表面光洁度，或者采用辅助加工技术手段降低表面粗糙度，可显著提高增材制造构件疲劳寿命。

Greitemeier等[49]研究了表面粗糙度对电子束增材制造Ti-6Al-4V疲劳寿命的影响。结果表明，随着构件表面粗糙度的增加，材料的疲劳寿命呈现明显的下降趋势。Vayssette等[50]采用机械打磨抛光方式，降低了激光增材制造成型Ti-6Al-4V试样表面粗糙度，优化了Ti-6Al-4V试样表面质量，最终使其疲劳强度提高了300 MPa，大幅提升了增材制造Ti-6Al-4V合金的疲劳寿命。Chan等[51]研究了增材制造Ti-6Al-4V钛合金成形件表面粗糙度对其疲劳性能的影响，结果发现在未对增材制造Ti-6Al-4V钛合金成形件进行表面优化时，其疲劳寿命远远达不到理想状态。经过不同方式处理后的Ti-6Al-4V钛合金疲劳性能如表1所示，当成形件经过电火花加工、振动抛光、磨削等处理后，可以获得优良的表面光洁度，疲劳寿命提升可达10倍以上。激光增材制造的Ti-6Al-4V合金构件粗糙的表面具有凹口深度和尖锐的曲率半径特征，这些特征的存在导致粗糙表面成为应力集中源区域和疲劳裂纹萌生位置。研究发现，表面粗糙度与增材过程中的送粉厚度密切相关，送粉厚度大时，合金粉末颗粒熔化不完全而附着在表面，导致表面粗糙度增加。因此，选择合适的送粉厚度可以获得优良的表面质量，降低表面粗糙度，有助于提高增材制造金属材料疲劳寿命。

4.2 电磁辅助增材制造延寿技术

电磁辅助增材制造技术的基本原理是借助感应电流与磁场形成电磁力和洛伦兹力，加强熔池对流和传热效果，实现电磁搅拌作用，促进熔池内溶质均匀化。电磁辅助有助于结晶组织细化，促进熔池中气体和夹杂物的逸出，降低结晶裂纹的敏感性，提高零件力学性能，从而实现高效、高质的增材制造，对提高增材制造金属材料疲劳性能有积极作用。

何文渊等[52]对比了施加交变磁场辅助同步送粉激光增材制造铁基合金、未施加电磁辅助的试样和退火态标准锻件的组织与性能，研究结果表明：施加交变磁场辅助时，当熔池上方磁场强度在30～40 mT范围内，可以获得表面光滑和平整、晶粒细化效果明显、无微观裂纹、气孔率低的增材制造试样，且试样抗拉强度和屈服强度接近标准锻件。黄之豪等[53]研究电磁辅助下电弧增材制造GH4169合金材料的疲劳性能发现，随着励磁电流的增加，电弧增材制造GH4169合金材料疲劳性能呈现先升高后降低的规律。当励磁电流过高时，构件的抗疲劳性能降低，其原因主要是产生的阻尼现象导致溶质的流动性差，凝固结晶过程中气体不容易逸出，构件中产生大量气孔，从而降低疲劳性能。于群等[54]研究电磁辅助激光增材制造Ni45合金组织与疲劳性能发现，在未施加外加磁场时，激光增材制造Ni45合金成形试件树枝晶主干的平均长度为45.3 μm，如图11a所示；当外加磁场强度从20 mT增加至80 mT时，枝晶的主干平均长度从23.2 μm降至5.0 μm，如图11b～e所示；且当磁场强度达到80 mT时，γ-Ni转变为细小的等轴晶。因此，随着外加磁场强度的增大，激光增材制造的Ni45合金中γ-Ni树枝晶主干长度逐渐缩短，随着电磁辅助持续作用，激光增材制造Ni45合金成形态的晶粒持续细化，韧性不断增加，疲劳性能显著提高。

表1 增材制造Ti-6Al-4V钛合金构件表面质量对疲劳性能的影响[51]

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

图11 不同磁场强度下合金成形体典型的扫描电镜形貌[54]

4.3 超声辅助增材制造延寿技术

在增材制造加工过程中，超声辅助技术利用超声波在金属熔体凝固过程中产生的声空化和声流效应，可以实现均匀化温度场和溶质场等目的，实现对熔池进行搅拌，有效细化晶粒、减少缺陷、改善应力分布等，从而提高金属材料的疲劳寿命。Zhang等[55]通过对增材制造高强度铝合金力学性能的研究，发现在利用超声振动辅助增材制造高强度铝合金时，随着振动频率的增强，对熔池的搅拌强度随之增加，超声辅助过程细化了晶粒，减少了气孔数量，降低了孔隙率，大幅提高了合金的疲劳寿命。Yuan等[56]通过在增材制造中引入超声振动辅助，利用高频次的振动有效抑制了晶体的外延生长，减弱了晶体学织构的形成，促进晶粒细化，提高了成形件的疲劳性能。陈伟等[57]通过超声振动辅助电弧增材制造技术制备的铝合金样品，不仅试样力学性能的各向异性得到改善，而且拉伸性能和疲劳性能有所提高。此外，针对增材制造金属构件表面粗糙而且存在有害拉应力的问题，利用超声冲击/超声喷丸辅助方法引入的高频振动和冲击作用，使表面粗糙的部位转变为平滑过渡区，表面光滑程度得到提升；同时，内部位错在超声冲击的作用下获得足够的能量发生滑移或攀移，位错平滑地过渡到稳定状态，残余应力得到一定的释放，同时在超声冲击作用下拉应力将转变为压应力[58-59]，从而大幅提高增材制造金属材料的疲劳寿命。

5 增材制造金属材料疲劳寿命评估

5.1 疲劳寿命评估模型

为了准确预测评估增材制造金属构件的疲劳寿命，科研工作者经过不懈努力，对不同结构的疲劳寿命创建了不同的评估模型，例如通过对疲劳断裂原理的研究与探索，将材料的缺陷及内部结构特征与疲劳过程的演变关联起来的疲劳寿命评估方法，是目前预测增材制造金属构件疲劳寿命较为准确的方法[60]。

张明义等[61]总结了常用的疲劳寿命评估方法，主要包括：经验公式及其参数的随机化处理模型、反映疲劳寿命离散性的统计模型、基于材料内部结构特征的疲劳寿命预测统计模型、基于疲劳物理原理和材料内部结构特征的疲劳寿命预测概率模型、多节点结构的广布疲劳损伤的概率模型等疲劳寿命预测。苏振李等[62]采用单轴载荷(=–1)、单轴载荷(=0)、纯扭载荷、多轴载荷等寿命预测模型研究了基于缺陷的增材制造316L不锈钢疲劳寿命的预估模型；其中采用修正的Wöhler曲线方法(MWCM)进行多轴疲劳寿命预测，预测结果整体趋势与实验数据相吻合。此外，考虑到增材制造/激光熔覆涉母材、熔覆材料以及激光源之间的能量转换问题，华亮等[63]通过分析熔覆过程中的能量耗散转换效应，并将之与构件的疲劳寿命之间建立相关联系，最终确定了如式（1）所示的激光熔覆构件疲劳裂纹萌生寿命的评估模型。

5.2 基于机器学习的疲劳寿命评估方法

材料的疲劳寿命数据具有明显的离散性特征，离散性可通过离散系数来表征，离散系数越高则反映出材料的疲劳性能越差。在高应力水平状态下，材料疲劳寿命的离散系数约为2，而在低应力水平状态下，材料疲劳寿命的离散系数高达100左右，其主要原因是疲劳裂纹萌生位置和裂纹生长速率都具有内在的离散性特征，由于材料的内部结构、服役载荷以及工作环境的差异，疲劳寿命的不确定性更加明显[64]。疲劳寿命数据的离散性特征，增加了构建疲劳寿命评估模型的难度，降低了疲劳寿命评估模型的准确性。

随着现代技术的发展，人工智能在很多领域都有较为广泛的应用，其中机器学习技术具有强大的非线性处理与多变量学习能力，目前已在解决材料科学的复杂非线性问题中得到广泛运用。利用机器学习技术分析疲劳数据，搭建疲劳寿命数据库，构建疲劳寿命评估模型，可以弥补疲劳寿命数据离散性的影响，提高疲劳寿命预测的准确性。詹志新等[65]研究了基于数据驱动的增材制造铝合金的疲劳寿命预测，对于不同的增材工艺，计算了不同循环载荷作用下的增材制造Al-Si-10Mg的疲劳寿命，建立了不同数据驱动模型的数据库，并根据建立的驱动模型预测了增材制造Al-Si-10Mg金属材料的疲劳寿命，所有的预测寿命均处在2倍误差带以内，验证了基于数据驱动的疲劳寿命评估模型的适用性。周书蔚等[66]测试了增材制造6005A-T6铝合金试样在不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率，基于BPNN、SVR、KNN和XGboost机器学习模型，建立应力比与应力强度因子范围Δ双驱动控制的疲劳裂纹扩展速率模型，并从准确度和效率等角度对不同机器学习方法建立的疲劳裂纹扩展速率模型进行综合评估。其中，传统Forman方程的拟合系数2为0.82，均方误差MSE为3.804×10–14，而4种机器学习模型的拟合系数2均大于0.99，均方误差MSE均小于10–16；研究表明，4种机器学习模型均能体现出裂纹扩展速率的非线性特征，试验结果训练集与测试集有良好的拟合效果，且采用机器学习方法建立的裂纹扩展速率模型准确性均高于传统Forman方程。

6 总结与展望

1）增材制造金属材料的疲劳性能主要与表面质量、表面/内部缺陷、残余应力和微观组织相关。增材制造金属材料疲劳裂纹一般在残余应力的作用下，在表面/内部缺陷处形成局部应力集中，经过应力循环作用引发疲劳裂纹萌生与扩展。改善增材制造金属材料成形件的表面质量，减少缺陷，优化组织结构依然是提高疲劳性能的重要方向。

2）在增材制造金属材料疲劳延寿技术方面，借助热处理、表面粗糙度优化、电磁辅助以及超声辅助等技术可以减少增材制造金属材料的缺陷，降低残余拉应力或优化微观组织，可有效提高增材制造金属材料的疲劳寿命。研究多种疲劳延寿技术复合的增材制造技术将是提高增材制造金属材料疲劳寿命未来的方向。

3）利用机器学习等人工智能手段预测增材制造金属材料疲劳裂纹的萌生和扩展行为，评估金属材料的疲劳寿命，为预测和提升增材制造金属材料的寿命提供了新思路。机器学习等人工智能技术在改善增材制造金属材料工艺技术，提升成形件疲劳寿命领域迅速发展，将推动增材制造金属材料疲劳延寿技术的发展，也是未来研究的重点。

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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

天津市教委科研计划项目（2020KJ104）

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

代俊林, 吴世品, 张宇, 等. 增材制造金属材料的疲劳性能研究进展[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）