近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王浩偉教授團(tuán)隊(duì)在增材制造復(fù)合材料疲勞與缺陷容限評(píng)價(jià)方面在International Journal of Fatigue期刊發(fā)表題為“Fatigue performance of laser powder bed fusion manufactured TiB2 / AlSi10Mg composite: Experimental investigation and fracture mechanics-based life prediction model for defect tolerance analysis (Int. J. Fatigue 2024, 180：108100)”學(xué)術(shù)論文。

該論文對(duì)比分析了激光粉末床熔融增材制造(LPBF)的納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的AlSi10Mg復(fù)合材料疲勞性能，根據(jù)斷后分析結(jié)果提出了基于斷裂力學(xué)的壽命預(yù)測(cè)方法，并結(jié)合CT掃描結(jié)果建立增材制造缺陷容限相關(guān)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

論文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142112323006011

相比傳統(tǒng)材料，增材制造(Additive Manufacturing)材料中的缺陷呈現(xiàn)出數(shù)量多、空間分布廣、尺寸范圍大的特點(diǎn)。現(xiàn)有研究表明即使通過(guò)工藝優(yōu)化及后處理也無(wú)法做到完全消除。

快速制造擁有復(fù)雜幾何特征的結(jié)構(gòu)是增材制造技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但由于缺陷的存在且缺乏相關(guān)定量化的疲勞強(qiáng)度評(píng)定，一定程度上制約了增材制造技術(shù)在承受循環(huán)載荷零部件上的工程應(yīng)用。為此通過(guò)斷裂力學(xué)理論建立缺陷容限的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，以回答增材制造過(guò)程中的缺陷在特定使用條件下是否可被“容忍”。

圖1  論文圖文摘要

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王浩偉教授團(tuán)隊(duì)的研究表明：

(1) PBF增材制造制備的TiB2/AlSi10Mg復(fù)材的疲勞性能在R=0.1室溫條件下，其疲勞性能明顯優(yōu)于其他LPBF-AlSi10Mg合金以及SiC或WC/AlSi10Mg復(fù)材, 與文獻(xiàn)報(bào)道的LPBF-AlSi10Mg合金相比，TiB2/AlSi10Mg復(fù)材的疲勞極限存在約50%的提升。

(2)提出了一種基于斷裂力學(xué)的壽命預(yù)測(cè)方法，通過(guò)輸入缺陷尺寸位置以及外加載荷等信息，可快速預(yù)測(cè)其疲勞壽命，精度可達(dá)。但絕大部分預(yù)測(cè)結(jié)果屬于適度保守，具有一定工程意義。

(3)通過(guò)將達(dá)到疲勞極限的樣品進(jìn)行CT分析，進(jìn)一步檢驗(yàn)了壽命預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)結(jié)果表面內(nèi)部缺陷的等效直徑即使達(dá)到85μm也不引起破壞。而近表面缺陷等效直徑僅為18~25μm也已經(jīng)發(fā)生了微小裂紋擴(kuò)展，但該裂紋并未在達(dá)到目標(biāo)循環(huán)數(shù)之前引起全局失效，故這類缺陷是可以被“容忍”的。最后針對(duì)試樣截面及載荷，提出依據(jù)空間的壽命分布圖。

圖2 3D渲染后的#1-F-28(, N cycle)的大缺陷：(a)大缺陷的位置; (b)(c)大缺陷的具體信息

圖3 3D渲染后的#1-F-28(, N cycle)的缺陷：(a)(b)(d)(e)亞表面缺陷; (c)亞表面缺陷位置（為提升分辨率采取了局部放大）