背景简介

随着增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术在国防领域的广泛应用，其在空中、陆地与海上平台的结构部件中展现出显著优势，尤其在提升零部件复杂性与轻量化方面具有独特潜力。在航空领域，为确保AM结构件的安全性与可持续服役性能，亟需对用于认证与寿命管理的耐久性与损伤容限分析工具进行科学验证。美军标准MIL‑STD‑1530Dc1与美国空军结构公报EZ‑SB‑19‑001均对此提出了明确要求。然而，AM制造过程中容易引入多种类型的不连续性，这些微小缺陷可作为疲劳裂纹的萌生源，严重时将显著降低部件的疲劳寿命。钛合金Ti‑6Al‑4V因其优异的比强度与高温性能，成为航空领域AM结构件的重要候选材料。尽管现有研究主要集中在该材料的一般力学行为与疲劳性能上，但对于小裂纹扩展行为及等效初始损伤尺寸分布的实验捕捉仍较为匮乏。标记带（Marker Bands, MBs）技术此前已在多种铝合金构件与全尺寸试验中验证有效，然而其在AM Ti‑6Al‑4V中的适用性尚未充分探讨。因此，开发适用于该材料的标记带设计方案，将为建立高可信度的疲劳裂纹扩展数据库、提升损伤容限分析工具的适用性提供关键支撑。

成果介绍

（1）本研究针对增材制造Ti-6Al-4V材料，设计了不同加载谱和应力比（R = 0.1, 0.5, 0.8）的疲劳试验，验证标记带在定量断口分析中的可行性。试样经激光粉末床熔融制备，并通过光学与扫描电镜对断口进行观测。在变量幅（VA）和VA+恒幅（CA）谱中嵌入MB后，可在断口上清晰追踪裂纹扩展过程，从而提取裂纹扩展速率和等效初始损伤尺寸数据，如图1所示。

图1 试样 9A 的断口特征：(a) 断口概览，其中重复标记用黄色箭头标注；(b) 疲劳源的高倍显微图，源区用红色线圈出；(c) 多个重复图案的高倍显微图，其中恒幅 (CA) 和变幅(VA)带已标注。所有光学图像均采用 UHL VMM 200 拍摄

（2）实验结果表明，MB特征在多种条件下均能识别，且FCGR测量可追溯至裂纹萌生点附近，展现了对小裂纹行为的敏感性。例如，试样9A和10A在不同R值下的测试均获得了可靠的FCGR，其结果与文献中SLM及锻造Ti-6Al-4V数据一致，如图2所示。这表明该方法在提取定量裂纹数据方面具有良好的实用性。同时，EIDS结果（如1A为0.0159 mm，9A为0.01 mm）明显小于USA标准下限，显示其在寿命评估中更保守、精确。

图2 试样 9A 与 10A 的疲劳裂纹扩展速率（FCGR）数据与文献中 Ti-6Al-4V 的速率对比

（3）研究还揭示了AM Ti-6Al-4V在断口分析中的挑战。由于快速凝固形成的针状马氏体组织及明显的各向异性，断口表面粗糙度较高，MB可视性低于传统锻造合金（如图3所示）。此外，裂纹在穿越不同晶粒时会发生偏转，进一步增加了识别难度。尽管如此，通过在VA两端嵌入高/低R值的CA段（产生轨迹状标记）并控制重复次数，仍可有效提取裂纹扩展信息。研究还发现构建方向虽然影响寿命长短，但对MB可视性作用不大，表明该方法具备良好的适应性与重复性。

图3 不同制备方法获得的 Ti-6Al-4V 微观结构电子背散射衍射(EBSD)图示：(a) 激光粉末床熔融 (LPBF) Ti-6Al-4V; (b) 定向能量沉积 (DED) Ti-6Al-4V ; (c) 电弧增材制造 (WAAM) Ti-6Al-4V

致谢

本文第一作者：Christopher Bodger (Capability Acquisition and Sustainment Group)，通讯作者：Simon Barter (RMIT University)。

本期小编 刘昊东（整理）

吴林森（校对）

郭子键（审核）

董乃健（发布）