背景简介

在近年来，金属增材制造技术，尤其是利用激光束熔化（PBF-LBM）处理金属粉末床的方法，日益受到重视，制定标准化设计原则已成为该领域追求的目标。然而，由于几何缺陷和制造过程的独特微观结构，PBF-LBM所制造零件的疲劳行为成为了一个主要问题。尽管已有研究探讨了表面粗糙度对疲劳特性的影响，但是不同的制造参数和测量技术导致结果会有所不同。因此，表面粗糙度、残余应力和晶粒尺寸对抗疲劳性的影响是需要考虑的重要因素。这项研究旨在评估表面处理、热等静压和晶粒尺寸对PBF-LBM所制造零件疲劳行为的综合影响。

成果介绍

（1）图1(a)、(b)为横向和纵向的典型焊缝。图1(d)显示了直径约为100 μm的大颗粒，在两个方向上分布均匀。图1(e) 显示了非常细的亚晶粒，宽度为300 - 400nm。图1(c)和(f)分别为打印样品和热等静压状态下的核平均取向偏差(KAM)结果。可以看出，打印样品的KAM明显更高。因此，热等静压过程不仅增加了晶粒尺寸，而且减少了取向误差，从而可能降低了位错密度。

图1 (a)、(b)和(d)为热等静压前试样的微观结构分析, (a)为打印样品纵向视图，(b)为打印样品横向视图，(d)为热等静压试样的晶粒结构；(c)为打印样品横向视图中的核平均取向偏差(KAM)； (f)为热等静压状态下的核平均取向偏差(KAM)横向视图；(e)显示了用扫描电镜测量的细亚晶粒的存在。

（2）图2展示了不同表面处理条件下的零件线粗糙度Ra、Rz及表面粗糙度值Sa和Sz，包括无表面处理（𝐹0）、人工抛光（𝐹1）和振动研磨（𝐹2）。𝐹0样品的粗糙度水平最为明显，总体粗糙度值最高。表面处理条件𝐹1和𝐹2的比较表明，在线粗糙度值上没有显著差异。然而，在表面条件𝐹1（人工抛光）和𝐹2（振动地面）之间的表面粗糙度值𝑆𝑧中可以观察到明显的区别。

图2 线粗糙度测量𝑅𝑎和𝑅𝑧以及表面粗糙度测量𝑆𝑎和𝑆𝑧的结果。𝐹0（无表面处理）、𝐹1（人工抛光）以及𝐹2（振动研磨）

（3）打印样品表现出高达471 MPa的屈服强度，极限抗拉强度高达577 MPa。经过热等静压（HIP）的试样显示出屈服强度的显著降低，最大值仅达到264 MPa。一方面，屈服强度的这种降低可以用Hall–Petch关系来解释，晶粒尺寸越细，位错阻碍越大，高位错阻碍导致高屈服强度。另一方面，它可以用位错密度来解释，热等静压使位错密度降低，晶粒尺寸略有增加，导致屈服强度降低。另一个值得注意的观察结果是两种状态之间断裂伸长率的变化。打印样品的断裂伸长率为54%，表明其在断裂前能够发生显著变形。然而，热等静压试样的断裂伸长率有所提高，达到74%，即较大的晶粒尺寸可能会提高延展性。

图3 打印样品 (F_0AB) 以及没有任何表面处理的热等静压状态 (F_0H) 的拉伸试验结果

（4）图4描绘了疲劳试验后断裂试样的代表性断面。观察到存在多种表面不规则性。据推测，这不是由于近表面孔隙率，而是由于振动研磨过程中材料去除不足。值得注意的是，观察到的表面不平整的影响也可能归因于振动研磨过程中表面附近可能出现的孔隙开口。

图4 疲劳失效后F_2H（振动地面，HIP）试样的断裂表面

（5）图5显示了高周疲劳试验的结果。与打印样品相比，热等静压试样的抗疲劳性明显较差，这可归因于晶粒尺寸的差异。晶粒度越细，抗疲劳性能越高。F_1AB（手动抛光，无需热处理）在不同应力范围内始终对循环载荷表现出最高的整体抵抗力。由F_1AB（手动抛光，无需热处理）观察到表面存在残余压缩应力，从而导致疲劳寿命的增加，但相反的，F_2H（振动地面，HIP）显示出较高的残余压缩应力，但显示出最低的疲劳寿命。这可能是由于未充分去除的表面拓扑结构或由于振动研磨后打开的孔隙。抗疲劳性影响的层次可以建立如下：晶粒度的影响最大，其次是表面粗糙度，随后是残余表面应力。

图5 Non-HIP/UM和HIP/M条件下不同试验温度下（a）0.010 mm/mm和（b）0.005 mm/mm应变幅度的疲劳结果

致谢

该研究工作得到了德国研究基金会（项目编号414265976-TRR277）的支持。本文通讯作者：Johannes Diller（Technical University of Munich, TUM School of Engineering and Design, Chair of Metal Structures, Arcisstr 21, Munich, 80333, Germany）。

本期小编：杨苡桐（整理）

徐浩波（校对）

王康康（审核）

闵　琳（发布）