顶刊综述《Acta Materialia》：全面回顾增材制造金属材料的断裂和疲劳！
时间:2021-08-29 11:42 来源:材料学网 作者:admin 点击:次
导读：近日，南非斯坦陵布什大学的Thorsten Hermann
Becker和新加坡材料研究和工程研究所的Upadrasta Ramamurty等人发表了题为Fracture andFatigue in
Additively Manufactured
Metals的顶刊综述。对增材制造（AM）合金的结构-性能相关性的当前理解进行了全面的回顾。强调了AM合金微观结构的独特方面、工艺相关属性及其对拉伸、断裂、疲劳裂纹扩展和无缺口疲劳性能的影响，重点介绍了微观结构和工艺属性之间的相互作用，以确定AM合金的结构完整性，如接近临界疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性和疲劳强度。这些方面与锻造或铸造合金中各自的结构-性能相关性进行了对比。总结了通过在AM过程中改变加工条件或通过退火、热等静压和喷丸等后处理处理来提高合金损伤容限的策略。识别了AM合金疲劳和断裂方面存在的差距，这对于工程部件的广泛部署和可靠设计至关重要；这种差距有望为这一领域的研究提供未来的途径。
金属零件的传统制造除了是关键技术的促成因素外，也是现代工业经济的一个组成部分。通常，制造包括铸造，然后使用锻造、轧制或挤压（或其他方法）进行热机械加工“成形”，以及通过焊接、机加工、表面改性等进行最终“精加工”。随着这些工艺经过几个世纪的微调和完善，对合金成分、加工历史、微观结构演变和机械性能之间关系的详细机理已经发展并应用于工业实践。鉴于结构零件通常必须同时满足多个特性指标，此类知识尤其重要，因为成分或加工路线（或两者）中的微小变化可以以多种方式改变特性组合，而这些方式不一定以简单方式关联。
增材制造（AM）—与传统制造中通常采用的“减法制造”相比—有可能侵占上述微调制造平衡。这是因为它提供了许多优势：（i）仅使用一个制造步骤进行近净形状零件制造，（ii）允许进入设计空间的设计灵活性，否则无法利用，（iii）接近零的材料损耗，导致高“飞购”比率，（iv）零件的快速原型设计和测试，这显著缩短了新设计的“从概念到部署”周期时间，（v）使用不同合金制造不同类型组件的灵活性，（vi）按需制造，从而降低库存成本，减少供应链中断，以及（vii）生产成分梯度零件或包含多种合金的能力。因此，全世界都对AM感到相当感兴趣，已经（或正在）对研究和能力建设进行了大量投资。AM对于工业4.0的重要性，因为它的数字特性也是一个潜在的原因。
在正在探索的不同类别的材料中，金属和合金的AM在技术上是最具挑战性的，因为以高重复性的方式生产零件并不像表面看起来那么简单。由于逐线、逐层建造策略产生的额外工艺相关属性，如孔隙度、残余应力、细观结构，制造零件不同位置的微观结构变化为建立加工结构-性能关系增加了相当大的复杂性。因此，确保为质量评估和认证目的生产的零件的结构完整性和可靠性仍然是阻碍AM广泛应用的主要挑战。解决这一挑战的关键是详细的结构-属性关联，其中也考虑了过程属性。虽然对制造方面和微观结构-拉伸性能连接进行了广泛的调查和报告，但对最终决定工程零件结构完整性的疲劳和断裂方面没有进行广泛的调查，特别是从“微观结构”的角度。
疲劳驱动断裂是承载部件结构失效的最主要原因。在传统制造的金属合金中，驱动疲劳失效的萌生、扩展和快速断裂机制的微观结构起源已被充分理解。然而，对于AM合金中独特的微观结构（如细亚稳相、细观结构和孔隙率——所有这些都是由独特的加工属性直接导致的）如何影响疲劳和断裂的理解尚未牢固确立。这不仅对AM部件的可靠性评估至关重要，而且有助于确定必须修改的加工步骤，以生产具有足够或优越结构完整性的部件。AM与大量工艺参数相关联，允许复杂的设计特征，导致极不寻常的加载配置，并允许定制零件生产；这使得连接材料、工艺和结构特别困难。考虑到这一点，作者在此对AM合金的疲劳和断裂方面进行了全面的回顾。此外，由于微观结构和拉伸性能构成了讨论的重要部分，因此也对这些方面进行了总结。
综述第2节简要概述广泛使用的AM技术和合金，强调相关工艺属性和常见的AM合金。通常报告的AM合金主题贯穿整个综述，首先讨论微观结构特征（第3节）和工艺相关属性（第4节）。随后，对准静态特性，即拉伸（第5节）和断裂韧性（第6节）特性进行了综述。第7节侧重于疲劳裂纹扩展行为，而第8节侧重于无缺口疲劳。第9节为结束语。
相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240
AM的出现有望以前所未有的方式彻底改变金属零件制造。为了实现这一潜力，使AM合金能够成功地应用于工业实践，必须深入了解加工微观结构和机械性能。AM固有的其他特征，如细观结构、孔隙度、残余应力以及它们之间复杂的相互作用，使这一点变得非常复杂。虽然已经在AM的制造方面以及微观结构和拉伸性能的评估方面进行了大量的研究，但对断裂韧性和疲劳性能的研究相对较少。由于这些性能对于确保AM零件的结构完整性（以及认证）至关重要，因此，更多关注AM合金的疲劳和断裂对于理解这些性能是如何由上述特征控制的至关重要这样的知识，反过来，可以用来设计损伤容限结构部件。在这种情况下，需要记住AM合金的以下独特方面。
图1 图解说明（a）基于激光的粉末床熔合（LB-PBP）工艺、（b）基于激光的定向能沉积（LB-DED）工艺和（c）粘合剂喷射打印（BJP）工艺的示意图。
图2 316L中细胞结构的HAADF干细胞图像，其中EDS图谱显示钼和铬分离到细胞边界。LAGB-低角度晶界。
图3 LB-PBF（a）AlSi12的代表性微观结构采用单熔体策略生产，（b）SEM图像显示具有硅偏析的熔池边界区域。(c）使用90˚扫描旋转和（d）后续层之间67˚扫描旋转生产Ti6Al4V。
虽然延展性是决定合金在工程实践中适用性的一个重要特性，但在AM合金中，它可能不是一个非常重要的特性。这是因为净形部件是直接制造的，不需要进一步的“二次机械加工”，否则，合金的延展性将成为一个重要因素。由于通过细观结构设计可以提高断裂韧性——大多数传统制造合金中延性作为代理的关键性能，因此最好直接关注断裂韧性的评估以及如何进一步优化强韧性组合。
如果使用环境富氢且具有腐蚀性，则会对AM合金的结构完整性产生重大影响，因为亚稳相、细观结构、孔隙率和固有残余应力会降低性能。因此，需要对使用AM生产的合金的应力腐蚀开裂和氢脆等方面进行研究，这些方面到目前为止几乎没有受到任何关注。
尽管在模拟AM过程本身和微观结构发展方面继续做出大量努力，但基于力学的AM合金结构断裂/疲劳性能关系建模仍有待研究。通过这些努力获得的见解在调整加工条件以增强损伤容限方面尤其有用，例如在微调细观结构以增强抗裂性方面。
图4 显示分层结构的316L显微照片。（a）
显示晶粒取向的IPF图，（b）显示熔体池高角度晶界的SEM显微图，（c）显示胞状结构的TEM显微图，（d）胞状边界上的氧化物杂质。316L的IPF图显示了熔池对织构的影响。（e）熔池宽度175μm，深度75μm（f）熔池宽度175μm，深度125μm，以及（g）熔池宽度250μm，深度125μm。
图5 （a）
HAADF-STEM显微照片和STEM-EDX图突出了（b）Nb和（c）Ti沿细胞边界的分离。显示（d）AB试样中Nb偏析的EPMA元素图，（e）时效后（AG，720˚C持续8小时，620˚C持续8小时），（f）溶解和时效后（STA，980˚C持续1小时，AG），（g）均化和溶解后（HSTA，1150˚C持续1小时，STA）。SEM图像显示了在（h）930˚C和（h）980˚C下处理1h的试样溶液中δ相的分布。
图6 SEM显微照片显示了（a）AB状态下的Si颗粒分布，（b）AN（160˚C持续5小时），（C）SR（320˚C持续2小时）和（d）T6处理后的Si颗粒分布，（510˚C持续6小时），然后是AG（170˚C持续4小时）。
图7 使用LB-PBFTi6Al4V软件从显微CT结果中收集缺陷的纵横比（AR）与球形度。
在某些情况下，以激光工艺为主的快速凝固条件诱导了亚稳和精细的微观结构特征，合金元素的固溶性延长，而构建策略赋予了细观结构特征。前者能增强强度，后者能增强韧性。AM为设计具有增强强度-韧性组合的合金提供的这些额外的“自由度”尚未得到充分利用。
大多数金属AM的起始材料为粉末状。因此，竣工零件中不可避免地存在气孔。虽然后加工处理（如HIP）可以显著降低（甚至消除）孔隙率和缺乏熔合缺陷，但它们抵消了AM在一步生产最终零件能力方面的独特优势（此外，设计复杂的零件的臀部特征AM的另一个关键特征可能并不简单）。有鉴于此，似乎对采用AM制造的部件采用“损伤容限设计”理念是确保结构完整性和可靠性的最佳方法。在这种方法中，缺陷的存在被认为是理所当然的，这使得微观和细观结构对近门槛疲劳裂纹扩展和裂纹闭合行为的作用变得重要。改进∆Kth通过允许更大的临界缺陷尺寸，大大提高了HCF性能。然后，使用基于断裂力学的方法确保在循环荷载条件下产生的缺陷尺寸或裂纹长度不会超过临界缺陷尺寸。为此，必须详细了解加工条件如何影响孔隙度。由于缺陷尺寸、形状和位置等方面在确定零件疲劳寿命方面起着关键作用，因此需要对其进行详细描述。
图8 扫描旋转产生的LB-PBFTi6Al4V的重建显微CT图像俯视图，试样层厚（t）=30μm，填充间距（h）=140μm，（a）Φ=90°（b）Φ= 67°，（c）显示LB-PBF工艺过程中使用的四种不同工艺参数组合的缺陷尺寸分布的直方图。
图9 LB-PBF Ti6Al4V的SEM图像。(b） SEM图像EB-PBFTi6Al4V。(c） （a）所示试样的显微CT扫描。(d） LB-PBFTi6Al4V同步辐射显微层析成像，分辨率为1.5μm。
图10 LB-PBF W中的裂纹网络。图中显示了导致不同熔池尺寸的两种激光曝光策略：在（a）中为浅熔池，在（b）中为深熔池。黑色箭头表示横向裂纹。
图11 化学蚀刻LB-PBFTi6Al4V（a）AB表面（AB）和化学蚀刻（b-d）不同摩尔（M）溶液浓度后的表面光洁度。
图12 （a） 17-4PH钢经过沉淀硬化热处理后的裂纹路径。位置1和2在（b）显示1处的微观结构，在（c）显示2处的微观结构。箭头表示归因于δ铁素体的剪切带，该剪切带由于δ铁素体和马氏体的弱界面以及δ铁素体的低塑性和脆性行为而加速裂纹扩展。
图13 扫描电子显微照片显示（a）Z-X和（b）X-Z方向上LBPBF AlSi12沿激光轨迹的断裂面。
图14 LBPBF Ti6Al4V的Z-X（边缘）、X-Z（垂直）和X-Y（平面）方向上的裂纹轮廓。所有显微照片均处于AB状态，并在近阈值区域的位置拍摄.
图15 （a） 基于El Haddad公式的北川高桥图，用于使用t-Φ, AB和热处理条件下的30μm-90°和60μm-67°。临界缺陷尺寸ac随应力幅度σa的变化与缺陷尺寸一起绘制(b） 用t-Φ，30μm-90°和60μm-67°。
图16 BJP 316L试样的显微照片显示，在应力幅度σa为270 MPa的情况下，在疲劳试样标距长度上观察到从裂纹的所有角开始的小疲劳裂纹，在107个循环中存活。插图中显示的EDS图显示，其中一个角裂纹被基体中的δ–铁素体阻止。
目前，阻碍金属AM零件在工业中广泛应用的一个主要原因是微观结构的空间变化、高残余应力、表面光洁度和缺陷的存在，这些缺陷由原料、按制造和机器对机器的可变性复合而成。对工艺结构（包括属性）-机械性能连接的透彻理解将有助于深入了解其中哪些是关键的（如果有的话），从而更容易将AM零件与确保的可靠性进行集成。
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