增材制造金屬的斷裂和疲勞（3）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀本文對AM合金中結構-性能相關性的當前理解進行了全面回顧。本文為第三部分。


5.2. 鋼材
在大多數(shù)情況下，性能通常達到或超過AB狀態(tài)下工業(yè)應用所需的規(guī)定值。例如，LB-PBF 316L實現(xiàn)了的YS和UTS∼ 440和∼ 660 MPa，而鍛造316L的各自性能分別為170和485 MPa。類似地，LB-PBF 304L的YS和UTS分別為∼ 450和∼670 MPa。大多數(shù)調(diào)質(zhì)鋼的YS和UTS的顯著增加是由于其中的細凝固胞尺寸。重要的是，這些強度增強不會被EF的顯著降低所抵消，LB-PBF 316L和304L的報告值在35%到60%之間。Kumar等人[40]報告說，在BJP 316L中，在塑性變形的早期階段盛行的平面滑移和其他微觀結構因素的獨特組合導致了小裂紋的停止，這些小裂紋在缺陷的拐角處形核，因此鋼的延展性對缺陷不敏感。

與鍛造鋼相比，沉淀硬化鋼17-4PH和18Ni300在AB狀態(tài)下相對較軟，因為大多數(shù)AM工藝中普遍存在的快速凝固速度沒有足夠的時間進行沉淀。LB-PBF生產(chǎn)的18Ni300在非老化條件下顯示較低的YS和UTS(∼ 950和∼ 1150 MPa），盡管其微觀結構更精細。觀察到殘余奧氏體和奧氏體回復會導致相變誘發(fā)塑性，從而導致異常加工硬化。在AG（有ST和無ST）后，UTS顯著增加（到∼ 2020 MPa），同時觀察到延性降低，如預期的那樣。

（a） Arcam A2XX EBM系統(tǒng)示意圖。（b）示意圖顯示了由于連續(xù)三層中的SEBM構建樣本的層間交叉蛇形掃描策略而形成的熔體軌跡。掃描方向由紅色箭頭指示。

AM鋼拉伸性能的各向異性也常見，歸因于上述具有強織構的柱狀微觀結構。然而，這可以通過適當?shù)臒崽幚韥砜朔�。例如，LB-PBF 316L需要大于1050°C的溶解溫度才能發(fā)生再結晶。

5.3. 鎳基高溫合金

AM-Ni基高溫合金的拉伸性能對合金在制造過程中和制造后經(jīng)歷的熱歷史高度敏感。因此，使用不同AM系統(tǒng)和熱處理溶液生產(chǎn)的合金的報告性能范圍廣泛。這是由于γ′和γ′的沉淀以及其中一些晶粒中沿晶界的針狀沉淀。在適當?shù)腟T+AG處理后，獲得了更一致的性能。如前所述，鉻鎳鐵合金718需要在1050°C以上的溫度下緩慢加熱和浸泡，以便能夠溶解AM期間形成的亞穩(wěn)Laves相。這通過從富溶質(zhì)區(qū)域向γ基體的反向擴散降低了鈮的微觀偏析程度。

由于高冷卻速率，采用直接AM技術生產(chǎn)的合金在AB狀態(tài)下往往具有精細的樹枝狀微觀結構，因此，表現(xiàn)出強烈的織構，導致顯著的機械各向異性。然而，盡管定向凝固，但適當?shù)墓に噮��?shù)組合可以減少各向異性。例如，通過使用點熱源填充策略（在線性熱源上），在Inconel 718中獲得了具有近似各向同性拉伸強度的等軸微觀結構。然而，EF中的各向異性仍然存在。

EBSD分析描述了EBM Inconel 718內(nèi)的代表性紋理，使用（a）平行于構建方向的傳統(tǒng)光柵掃描策略紋理的偽彩色逆極圖，（b）垂直于構建方向的傳統(tǒng)光柵掃描策略紋理的偽彩色逆極圖，（c）與建筑平行的點熱源紋理的偽彩色反極圖。（d）點熱源紋理橫向于構建方向的偽彩色逆極點圖，（e）與平行于構建的點熱源紋理相關的極點圖，以及（f）與橫向于構建的點熱源紋理相關的極點圖。注：插入中的偽彩色參考三角形。

5.4. 鋁合金

LB-PBF AlSi10Mg中出現(xiàn)的各向異性微觀結構和晶體織構導致了力學行為的各向異性。例如，AlSi12的構向延性僅為橫向延性的一半，而其強度差異不顯著。由于工藝參數(shù)的變化導致晶粒尺寸、晶粒取向、胞晶形態(tài)和熔池排列的變化，導致UTS和EF具有較強的各向異性。Paul等人報道，沿構建方向加載顯示出更明顯的應變硬化，導致沿熔池邊界的過早破壞，拉伸應變僅為~ 3.5%，而垂直于構建方向加載的方向的破壞應變?yōu)?-7%。沿構建方向(Z)加載時，熔池邊界發(fā)生破壞，表明熔池細觀結構界面減弱，胞狀結構較粗，以拉伸為主。

結果表明，這種各向異性可以通過后續(xù)熱處理來減少。然而，這通常伴隨著強度的顯著損失；例如，LB-PBF AlSi12的YS在退火后降低至95 MPa。標準T6熱處理已被證明可以消除硅網(wǎng)絡。在隨后的時效過程中，原始細晶粒結構變粗，同時形成沉淀。前者抵消了后者的預期強化，因此產(chǎn)生了與AB狀態(tài)相同的YS。

6、斷裂韌性

材料的斷裂韌性（KIc）定義了材料對開裂的抵抗力，是確保結構完整性和可靠性的基本屬性。在AM中，亞穩(wěn)微觀結構、細觀結構、孔隙度和高殘余應力的組合會對合金的抗斷裂能力產(chǎn)生不利影響。因此，AB零件的熱處理通常被要求賦予與傳統(tǒng)生產(chǎn)的合金相似的斷裂韌性。這使他們能夠滿足規(guī)定的標準；例如，Ti6Al4V用于生物醫(yī)學應用。

廣義上，KIc取決于以下因素：裂紋尖端前塑性區(qū)（rp）的大小、裂紋尖端鈍化以及裂紋模式下的裂紋彎曲度或混合度。例如，較大的塑性區(qū)尺寸通常伴隨著裂紋尖端鈍化，導致大量增韌。類似地，由于剪切型（或模式II/III）斷裂促進裂紋偏轉(zhuǎn)（來自模式I），裂紋模式混合性可導致韌性顯著增強。雖然塑性區(qū)形成和裂紋鈍化是內(nèi)在機制（可能導致強度和韌性之間的沖突；延展性的增加導致KIc的改善，但可能以YS和UTS為代價），但裂紋彎曲度是一種外在機制，可以在不影響強度的情況下增加韌性。在AM合金中觀察到了這種非本征增韌機制，其中裂紋彎曲度來自第3.1節(jié)中描述的細觀結構。這可能導致一些AM合金的KIc和抗裂性（“R曲線行為”）比其常規(guī)生產(chǎn)的對應物大幅增加。因此，胞狀結構和細觀結構都會顯著影響AM合金的斷裂韌性，需要同時考慮這兩種結構。當延展性增加斷裂韌性時，獨特的細觀結構可以通過仔細的參數(shù)選擇來提高強度和韌性。

微觀結構表征。（a） EBSD分析中長徑比小于0.3的晶粒；（b）柱狀晶粒的尺寸分布（長軸尺寸）；（c）細胞和晶粒取向分析；（d）從XZ平面獲取的熔池邊界附近的納米壓痕硬度變化（圖像表示熔池邊界和單個區(qū)域，用于一般解釋壓痕位置）。

在確定AM合金的斷裂韌性時，除了合金的微觀結構外，還需要仔細考慮殘余應力的作用以及缺陷的大小和分布。例如，Cain等人報告了LB-PBF Ti6Al4V的KIc中殘余應力和各向異性之間的負相關。同樣，Seifi等人報告了EB-PBF Ti6Al4V的孔隙度和KIc之間的相關性。由于這些因素，AM合金在KIc中觀察到顯著的各向異性（在某些情況下是不均勻的）。雖然殘余應力和缺陷分布的過程特定屬性可能不利于KIc，但細觀結構可以顯著改善它們。在下文中，我們總結了AM合金的斷裂性能和特征，具體到每一系列合金。

6.1. 鈦合金

鍛造Ti6Al4V的典型KIc范圍為30至100 MPa√m、取決于材料微觀結構。相比之下，AB LB-PBF Ti6Al4V的KIc可低至16至31 MPa√m、主要是因為存在缺陷和殘余應力。在密度達到99.5%以上并進行熱處理后，KIc提高了48至67 MPa√m。

熱處理后觀察到的斷裂韌性增強是由于形成了更具延展性的片狀α–β微觀結構。KIc在具有層狀微觀結構的α+β鈦合金中最高。與軋制Ti6Al4V不同，在軋制Ti6Al4V中，晶體學織構可以誘導各向異性，AM合金中缺乏強烈的晶體學織構表明，柱狀PBG結構是觀察到的各向異性的原因。細觀柱狀PBG結構有助于裂紋彎曲，其中PBG邊界充當弱化界面。

（a） Ti64樣品的3D代表性微觀結構 μm層厚和90°掃描旋轉(zhuǎn)。（b）每個連續(xù)層之間90°的掃描旋轉(zhuǎn)及其對b和S平面中微觀結構的影響的示意圖。（c） B面微觀結構和（d）S面微觀結構。（c）和（d）中的虛線用于“引導眼睛”。

在AB狀態(tài)下，使用EB-PBF生產(chǎn)的Ti6Al4V通常比其LB-PBF對應物表現(xiàn)出更高的KIc，主要是因為其中存在α+β層狀微觀結構。熱等靜壓后平均KIc值的降低是由于α板條的雙重粗化，這降低了合金的強度[。Seifi等人還對EB-PBF Ti6Al4V中的缺陷進行了表征，并觀察到缺陷尺寸與測量韌性之間的相關性；缺陷尺寸的變化歸因于材料的異質(zhì)性，該異質(zhì)性取決于建筑高度。與Kumar等人的發(fā)現(xiàn)類似，由于柱狀PBG結構提供了一條容易的斷裂路徑，因此存在各向異性。

6.2. 鋼

與常規(guī)生產(chǎn)的316L (KIc在112 ~ 278 MPa√m之間)相比，AM合金的KIc更低。例如LB-PBF 316L的KIc范圍為63 ~ 87 MPa√m。這可能是由于缺陷、延性降低和變形誘導塑性(TRIP)的缺失所致。Kumar等人對后者進行了說明，他們觀察到，在LB-PBF 304L中，只要試驗溫度升高50℃(從TRIP被激活的室溫升高到TRIP不再被激活的75℃，變形機制以位錯滑移和孿晶為主)，斷裂韌性就會大幅降低(約40%)，各向異性隨之增強(約16%)。

時效后LB-PBF 18Ni300合金的KIc (70-75 MPa√m)與常規(guī)合金相近。Yadollahi等人估計(根據(jù)FCG數(shù)據(jù))LB-PBF 17-4PH在H900條件下時效后的KIc為約70 MPa√m，據(jù)稱高于CM PH-17-4鋼在H900條件下的KIc 50 MPa√m，這可能是由于AM合金具有較高的延展性。關于AM鋼斷裂韌性的研究很少。關于AM特定特征(如凝固細胞、局部結晶織構和細觀結構)對斷裂行為的影響的詳細研究還有待進行。

6.3. 鎳基高溫合金

與鋼一樣，AM-Ni基高溫合金的斷裂韌性數(shù)據(jù)也不多。少數(shù)研究結果表明，與拉伸性能一樣，AM-Inconel合金的斷裂韌性強烈依賴于微觀結構和由此經(jīng)歷的熱歷史。Puppala等人報告，使用CTOD技術估算的LB-DED鉻鎳鐵合金625的斷裂韌性接近其焊接對應物，但低于鍛造對應物。他們認為，孔隙度顯著影響斷裂韌性，因為孔隙度的增加導致KIc顯著降低，伴隨著韌性斷裂模式向脆性斷裂模式轉(zhuǎn)變。在這里，AB條件下的低KIc歸因于γ基體中沒有γ′/γ′沉淀，而時效后的高韌性是通過γ′和γ′的沉淀強化實現(xiàn)的。然而，由于粗Laves相和非均勻γ′′/γ′沉淀的存在，直接時效處理并不能改善KIC。因此，需要高ST和AG處理來實現(xiàn)與CM對應物相當?shù)腒Ic。如前所述，Laves相的溶解和Nb的均勻分布只能通過1050°C以上的溶解來實現(xiàn)，這也會導致等軸晶粒結構和晶粒生長。

6.4. 鋁合金

AB狀態(tài)下LB-PBF鋁硅合金的熔池邊界處存在連續(xù)的枝晶間Si相網(wǎng)絡，這為裂紋擴展提供了一條簡單的路徑，因此促進了廣泛的裂紋偏轉(zhuǎn)。因此，由于細觀結構引起的裂紋彎曲，這些合金中的細觀結構對斷裂韌性產(chǎn)生了顯著且通常是積極的影響。在LB-PBF AlSi12中，Suryawanshi等人報告，KIc值比鑄造合金高2-4倍。Suryawanshi等人將強度的顯著提高歸因于微觀結構的細化和固溶體中相對較高的Si。韌性的提高完全是由于細觀結構，細觀結構通過熔體池邊界處的裂紋偏轉(zhuǎn)增強了裂紋的彎曲度。自然地，細觀結構賦予韌性各向異性，構建方向（Z）上的斷裂韌性更高，因為裂紋平面法線平行于構建層，裂紋擴展基本上發(fā)生在各個層之間。退火降低了這些合金的KIc，盡管以強度為代價提高了延展性。熔池邊界結構（包括硅沉淀）的分解被認為是裂紋擴展阻力較低（即KIc較低）的原因。然而，熱處理材料的韌性仍然是鑄造合金的兩倍。

采用90°掃描策略制造的合金試件與采用67°掃描策略（25–31 MPa√m）制造的材料相比。這歸因于裂紋彎曲降低了斷裂韌性（19–27 MPa√m）；與67°材料中的隨機熔池排列相比，在采用90°掃描策略構建的試樣中觀察到較少曲折的裂紋路徑，這導致形成兩個不同的熔池方向。跨熔池邊界的裂紋擴展通過顆粒間和跨顆粒失效發(fā)生。沿拉長的晶界更容易發(fā)生晶間破壞，裂紋垂直穿過熔池。當裂紋以一定角度穿過熔池邊界時，穿晶失效更容易發(fā)生。此外，在裂紋偏轉(zhuǎn)比穿過熔池更有利的區(qū)域，觀察到單個熔池界面處的裂紋偏轉(zhuǎn)。Paul等人認為，這表明跨熔池和沿熔池邊界的裂紋擴展阻力存在差異。

關于測試方向的抗裂性曲線行為和斷裂韌性。R曲線依賴于（a）層厚度、（b）圖案填充間距、（c）掃描策略和（d）90SS樣本中的0°和45°方向。（e）直接比較各種測試條件下的R曲線。（實線表示C（T）-XZ樣品，裂紋擴展平行于B.D。；虛線表示裂紋垂直于B.D.擴展的C（T）-ZX樣品。；實心符號表示用于擬合R曲線的數(shù)據(jù)。）（f）所有建造條件的JIc值。

7.疲勞裂紋擴展特性

了解疲勞裂紋擴展（FCG）特性在安全關鍵應用中特別重要。這允許在結構完整性和可靠性評估中使用損傷容限設計方法，其中荷載波動是不可避免的。由于AM固有幾種不同類型的缺陷，尤其是孔隙和粗糙表面光潔度，這兩種缺陷都對結構部件的疲勞行為極為不利，因此了解這些缺陷對于AM金屬的壽命預測、零件認證和廣泛應用至關重要。

金屬的FCG行為分為三種狀態(tài)：起始或接近閾值狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)生長或Paris狀態(tài)和快速斷裂狀態(tài)III。狀態(tài)III導致不穩(wěn)定、快速的裂紋擴展，對微觀結構和應力狀態(tài)的變化敏感，并與合金的斷裂韌性直接相關。值得注意的是，細觀結構的存在可能使AM合金的延展性和KIc不相關，如前所述。這意味著結構完整性評估需要深入了解與底層微觀和細觀結構相關的斷裂韌性特性，即需要工藝、取向和熱處理特定的斷裂韌性特性。相反，殘余應力和孔隙度不會對快速斷裂狀態(tài)產(chǎn)生重大不利影響（除非其數(shù)量過大，這將使打印零件的應用適用性變得毫無意義）。

狀態(tài)II導致裂紋的增量循環(huán)相關推進，通過裂紋尖端的局部塑性變形可見，并且對微觀結構、載荷比（R）和零件幾何形狀的變化不太敏感。這是因為rp的尺寸是特征微結構長度尺度的幾倍。在接近閾值的區(qū)域I中，裂紋擴展要么開始，要么減少，并由易受微觀結構（rp尺寸和微觀結構尺度相似）、R和環(huán)境影響的剪切機制控制。

對AM合金的FCG行為進行了廣泛的研究�？偟膩碚f，AM合金的FCG性能與相應鑄造或鍛造合金中觀察到的FCG性能相當。然而，許多AM合金固有的精細AB微觀結構與較低的FCG閾值有關。相反，粗糙度引起的閉合效應與細觀結構有關，例如LB-PBF Ti6Al4V中的柱狀PBG結構或鋁合金中的熔池結構。這意味著，在較低的情況下，外部因素（如裂紋表面微凸體與其他裂紋屏蔽機制之間的相互作用）會降低有效裂紋驅(qū)動力，從而改善近閾值FCG行為。通常，當R>0.5時，這些影響不太普遍，并且測量了固有閾值。在近閾值區(qū)，底層微觀結構的強烈影響意味著，通過熱處理和隨后的晶粒生長，可以提高閾值，降低各向異性。

有鑒于此，我們首先總結了關于穩(wěn)態(tài)FCG特性（區(qū)域II）以及近閾值FCG特性（區(qū)域I）的FCG行為的共同特征。然后，我們強調(diào)了每種合金系統(tǒng)接近閾值行為的具體特征。斷裂韌性（狀態(tài)III）已在第6章中討論。

來源：Fracture and fatigue in additively manufactured metals, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

參考文獻：D.D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe, Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms,Int. Mater. Rev., 57 (2012), pp. 133-164, 10.1179/1743280411Y.0000000014