背景简介

激光粉末床熔化（L-PBF）作为一种典型的增材制造技术，具有制造型腔、三维网格或点阵零件、高精度尺寸和精密表面等优势，该技术制备的钛合金零件已在航空航天领域广泛应用。此前已有诸多报道该技术成形钛合金的力学性能与缺陷特征（类型、尺寸、形状、位置及分布）密切相关。

成果介绍

本文采用两种优化激光粉末床熔化工艺制备了横向和竖向Ti6Al4V试样，通过800℃、2h退火消除初生畸变马氏体α＇相形成的内应力，相变后微观组织为片层α相和少量β相。具体的成形参数和试样示意图见图1和表1。

表1 两种优化工艺参数

图1 成形方向和Ti6Al4V试样示意图

激光粉末床熔化Ti6Al4V试样主要有气孔、匙孔和未熔合三类缺陷。图2为缺陷的三维分布和尺寸统计直方图。结果表明优化工艺仍存在不稳定性，并诱发了随机分布的冶金缺陷，尤其是在水平方向。缺陷倾向形成形貌规则的气孔，其尺寸小于40μm，占缺陷总数的90%及以上，这与空心粉含量及堆积过程中未及时逃逸的气体有关；未熔合缺陷在优化工艺条件下非常罕见，尺寸远大于100μm，呈现出垂直沉积方向的层状特征，这种缺陷特征可能是由于偶尔出现粉末刮削的局部扰动而形成；匙孔尺寸范围多为40-100μm，约占缺陷总数的10%，由于反冲压力将熔池周围的熔融液体向下推，易在熔池底部形成。

图2 缺陷的三维分布和尺寸统计直方图

图3为侧面和端面上缺陷投影面积与长宽比的关系。匙孔特征的工艺相关性导致工艺1中较大的温度梯度和有利的散射条件形成了较深的熔池，同时导致匙孔具有沿堆积方向的方向性，工艺2中较浅的熔池导致匙孔方向性不明显。因此，改变工艺可以控制匙孔的各向异性严重程度，进而影响疲劳性能。

图3 侧面和端面上缺陷投影面积与长宽比的关系

图4为两种工艺试样在600MPa和R=0.1条件下的高周疲劳寿命。疲劳数据有两个显著特征：（i）分散性，（ii）疲劳各向异性。分散性最大差异可达到百万次循环，同时工艺1的疲劳寿命各向异性明显强于工艺2。除了极少量表面滑移带、气孔和未熔合外，表面匙孔占据了疲劳裂纹源的70%，表明疲劳寿命特征取决于表面匙孔的特征，即垂直于加载应力方向的匙孔尺寸√面积（投影面积的平方根）及其形状，见图5。

图4 工艺1和工艺2在600MPa和R=0.1条件下的疲劳寿命

图5 表面匙孔的SEM图像。(a) L-PBF1-H1, 7.4 × 10⁴ 周次, (b) L-PBF1-V4, 1.52 × 10⁵ 周次, (c) L-PBF2-H14, 1.4 × 10⁵ 周次，(d) L-PBF2-V14, 2.5 × 10⁵ 周次。

图6为基于√面积模型计算的缺陷应力强度因子范围（ΔK_I）与疲劳寿命之间的关系。表面疲劳裂纹源的寿命较短，在循环荷载作用下，表面缺陷引起应力叠加，导致样品早期失效，可以推断，内部裂纹的扩展速度约为表面裂纹的3-9倍；并且气孔对裂纹扩展的影响较小，当缺陷尺寸小于40μm时，表面持久滑移带可演变为裂纹萌生源；未熔合缺陷应力强度因子范围最大，并足以在其出现时作为疲劳裂纹萌生源。

图6 缺陷应力强度因子范围（ΔK_I）与疲劳寿命之间的关系

图7为基于X参数模型的疲劳寿命预测曲线。表面匙孔尺寸√面积和形状参数可从重建三维体积中的缺陷群提取，X参数疲劳寿命预测曲线具有指数衰减关系。