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《Acta Materialia》綜述：增材制造金屬的斷裂與疲勞！

2022-02-23 15:46:48 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

增材制造（AM）的出現(xiàn)以前所未有的方式革新金屬零件制造。為了實(shí)現(xiàn)這一潛力，使AM合金成功地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)加工-顯微組織和機(jī)械性能的深入理解是十分必要的。AM的附加特性，如介觀結(jié)構(gòu)、孔隙度、殘余應(yīng)力，以及它們之間復(fù)雜的相互作用，使這一過(guò)程變得更加復(fù)雜。雖然在AM的制造方面以及組織和拉伸性能的評(píng)估方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)斷裂韌性和疲勞性能的研究相對(duì)較少。由于這些性能是確保AM部件結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵，更多的關(guān)注AM合金的疲勞和斷裂是必要的，以理解這些性能如何進(jìn)行調(diào)控。反過(guò)來(lái)，這些知識(shí)可以用來(lái)設(shè)計(jì)耐損傷的結(jié)構(gòu)部件。在這種情況下，針對(duì)AM合金的斷裂和疲勞性能進(jìn)行綜述具有重要意義。

南非斯泰倫博什大學(xué)的研究人員全面回顧了目前對(duì)AM合金中結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的分析，總結(jié)了提高合金損傷容限的方法，包括在AM過(guò)程中改進(jìn)加工條件以及退火、熱等靜壓和噴丸強(qiáng)化等后處理，對(duì)AM合金現(xiàn)有研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)并展望未來(lái)發(fā)展情況。相關(guān)論文以題為“Fracture and fatigue in additively manufactured metals”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：

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

對(duì)于AM合金來(lái)說(shuō)，延展性不是最重要的性能指標(biāo)，因?yàn)锳M合金的特點(diǎn)是近凈成形，幾乎不需要進(jìn)一步二次機(jī)加工，由于斷裂韌性可以通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到提高，因此最好直接關(guān)注斷裂韌性的評(píng)估，以及如何進(jìn)一步優(yōu)化強(qiáng)度和韌性組合。激光工藝的快速凝固條件在某些情況下擴(kuò)展了合金元素的固溶度，進(jìn)而產(chǎn)生亞穩(wěn)細(xì)小的顯微組織特征，而構(gòu)建策略則提供了微觀結(jié)構(gòu)特征。前者增強(qiáng)強(qiáng)度，后者增強(qiáng)韌性。AM為設(shè)計(jì)具有良好強(qiáng)度-韌性組合的合金提供的額外自由度尚未得到充分利用。

圖1 AM合金制備方法示意圖（a）激光粉末床融合（LB-PBP）；（b）激光定向能沉積（LB-DED）；（c）粘合劑噴射（BJP）

圖2 增材制造316L的微觀結(jié)構(gòu)

圖3 17-4PH鋼經(jīng)熱處理后的裂紋路徑

圖4 LB-PBFTi6Al4V在不同方向上的裂紋分布

大多數(shù)AM合金的原材料都是粉末狀的，因此在產(chǎn)品中氣孔是不可避免的，采用損傷容限方法對(duì)AM制造的構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)是保證結(jié)構(gòu)完整性和可靠性的最佳途徑。在這種方法中，缺陷的存在被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，這使得微觀和介觀結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展和裂紋閉合行為的作用變得重要。因此必須詳細(xì)了解加工條件如何影響孔隙率，由于缺陷大小、形狀和位置等方面在決定零件疲勞壽命方面起著至關(guān)重要的作用，需要對(duì)它們進(jìn)行詳細(xì)的表征。目前尚未引起重視的AM合金的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和氫脆等問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，未來(lái)將進(jìn)一步應(yīng)用模擬技術(shù)，基于AM合金組織-斷裂/疲勞性能關(guān)系模型仍有待研究。本文為AM合金的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理并對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行展望規(guī)劃，有助于AM合金的發(fā)展應(yīng)用。

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