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背景简介

Ti-6Al-4V质量轻且具有较强的机械性能，是激光粉床熔融(LPBF)的常用材料。增材制造(AM) Ti-6Al-4V的静态性能通常接近甚至高于传统制造Ti-6Al-4V，但动态/疲劳性能的不稳定阻碍了其发展。造成AM Ti-6Al-4V疲劳性能不稳定的原因是LBPF过程中不可避免的产生缺陷，引发高残余应力，这些因素还会导致力学性能的各向异性和制造批次差异。评估疲劳寿命的损伤容限模型依赖于断裂力学来模拟疲劳裂纹的萌生和扩展，将缺陷看作是起裂位置或理想裂纹，并且在尺度上处于长裂纹扩展和短裂纹扩展之间的过渡区域。但是在LPBF工艺中产生的缺陷在尺寸、形状和位置上的分布不均匀，给AM Ti-6Al-4V高周疲劳(HCF)评估带来了挑战。

成果介绍

（1）在统计性质上，提出了一种考虑缺陷整体的方法来表征缺陷(图1)。对于内部缺陷，通过X-ray computed tomography(XCT)测量疲劳试样最小截面段体积中的缺陷。将投影于xy面获得的缺陷面积用于超阈值(POT)极值采样，选择50μm作为阈值，并采用广义帕累托模型拟合(图2)。

图1 疲劳试样横截面体积上通过XCT测量的次表面缺陷

图2 利用广义帕累托模型拟合的缺陷尺寸的归一化概率

（2）考虑到表面粗糙度对疲劳性能的影响，利用MarSurf PS10 Perthometer（内置ISO 16610-21规定的高斯滤波器），在平行于加载方向上进行了5次测量。在疲劳寿命模型中，取最大的R v值（表面粗糙度最大谷深）建模为初始裂纹尺寸(图3)。

图3 等效模型缺陷尺寸示意图

（3）建立了包含基于输入参数的敏感度、短裂纹扩展机制、缺陷形貌和位置等参数的疲劳寿命数值模型。模型计算流程如图4所示，模型预测的疲劳强度如图5所示。该模型还考虑了短裂纹扩展效应(裂纹闭合效应和裂尖塑性区效应)，模型对比效果如图6、图7所示。

图4 预测疲劳强度的模型计算流程

图5 模型预测两种后处理状态的S-N曲线

图6 短裂纹扩展效应对S-N模型评估的影响

图7 短裂纹扩展效应对Kitigawa-Takahashi(KT)模型评估的影响

（4）通过统计数据，得到了缺陷尺寸和萌生位置对疲劳寿命的影响(图8，实心标记为实验数据，空心标记为文献数据)。结果表明，与内部萌生等效缺陷相比，考虑表面萌生等效缺陷时，预测的高周疲劳强度降低了72 MPa(约23%)。因此内部缺陷允许更高的疲劳强度预估。

图8 缺陷尺寸和位置对S-N模型评估的影响

（5）提出预测LBPF Ti-6Al-4V部件的疲劳寿命时，在损伤容限模型中考虑多个起裂源这种特殊情况的必要性。通常认为临界应力区域中最严重缺陷的单个起裂源的形态和位置的差异是导致寿命分散的主要原因。此外，多裂纹萌生和裂纹相互作用的引入导致疲劳强度对缺陷敏感。图9展示了LPBF制造的Ti-6Al-4V疲劳试样多重起裂的情况。

图9 表面多重起裂源

致谢

该研究工作得到了科学与创新部通过科学与工业研究委员会(CSIR)管理的增材制造合作计划(CPAM)提供的资助。本文通讯作者：Macallister N（Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, Stellenbosch University, Joubert street, Stellenbosch 7602, South Africa）。

本期小编：董乃健（整理）

杨逸璠（校对）

程 航（审核）

闵 琳（发布）