增材制造(AM)的出現以前所未有的方式革新金屬零件制造。為了實現這一潛力,使AM合金成功地應用于工業領域,對加工-顯微組織和機械性能的深入理解是十分必要的。AM的附加特性,如介觀結構、孔隙度、殘余應力,以及它們之間復雜的相互作用,使這一過程變得更加復雜。雖然在AM的制造方面以及組織和拉伸性能的評估方面已經進行了大量的研究,但對斷裂韌性和疲勞性能的研究相對較少。由于這些性能是確保AM部件結構完整性的關鍵,更多的關注AM合金的疲勞和斷裂是必要的,以理解這些性能如何進行調控。反過來,這些知識可以用來設計耐損傷的結構部件。在這種情況下,針對AM合金的斷裂和疲勞性能進行綜述具有重要意義。
南非斯泰倫博什大學的研究人員全面回顧了目前對AM合金中結構-性能相關性的分析,總結了提高合金損傷容限的方法,包括在AM過程中改進加工條件以及退火、熱等靜壓和噴丸強化等后處理,對AM合金現有研究結果進行總結并展望未來發展情況。相關論文以題為“Fracture and fatigue in additively manufactured metals”發表在Acta Materialia。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240
對于AM合金來說,延展性不是最重要的性能指標,因為AM合金的特點是近凈成形,幾乎不需要進一步二次機加工,由于斷裂韌性可以通過微觀結構設計得到提高,因此最好直接關注斷裂韌性的評估,以及如何進一步優化強度和韌性組合。激光工藝的快速凝固條件在某些情況下擴展了合金元素的固溶度,進而產生亞穩細小的顯微組織特征,而構建策略則提供了微觀結構特征。前者增強強度,后者增強韌性。AM為設計具有良好強度-韌性組合的合金提供的額外自由度尚未得到充分利用。
圖1 AM合金制備方法示意圖(a) 激光粉末床融合(LB-PBP);(b)激光定向能沉積(LB-DED);(c) 粘合劑噴射(BJP)
圖2 增材制造316L的微觀結構
圖3 17-4PH鋼經熱處理后的裂紋路徑
圖4 LB-PBFTi6Al4V在不同方向上的裂紋分布
大多數AM合金的原材料都是粉末狀的,因此在產品中氣孔是不可避免的,采用損傷容限方法對AM制造的構件進行設計是保證結構完整性和可靠性的最佳途徑。在這種方法中,缺陷的存在被認為是理所當然的,這使得微觀和介觀結構對疲勞裂紋擴展和裂紋閉合行為的作用變得重要。因此必須詳細了解加工條件如何影響孔隙率,由于缺陷大小、形狀和位置等方面在決定零件疲勞壽命方面起著至關重要的作用,需要對它們進行詳細的表征。目前尚未引起重視的AM合金的應力腐蝕開裂和氫脆等問題需要進一步研究,未來將進一步應用模擬技術,基于AM合金組織-斷裂/疲勞性能關系模型仍有待研究。本文為AM合金的研究現狀進行梳理并對未來研究方向進行展望規劃,有助于AM合金的發展應用。
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