南洋理工顶刊综述丨金属增材制造的断裂和疲劳

                       

Graphical abstract

考虑到这一点，本文对目前AM合金的“结构-性能”相关性的理解进行了全面的综述。并着重讨论了AM合金的微观组织、AM工艺相关的属性对拉伸、断裂、疲劳裂纹扩展和无缺口疲劳性能的影响，特别是微观组织和工艺属性在决定AM合金的结构完整性(如近门槛疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性和疲劳强度)方面的相互作用。针对这些方面的性能，本文还分别与变形或铸造合金的“组织-性能”关系进行了对比研究。总结了提高合金损伤容限的策略，即通过在AM过程中改变加工工艺或通过退火、热等静压和喷丸等后处理措施来提高合金的损伤容限。本文指出了现今研究对AM合金疲劳和断裂方面的理解不足，而正是这些研究上的空白对工程部件的广泛应用和可靠设计至关重要。填补此空白可以拓展该领域的研究。

316L组织结构的HAADF STEM图像，其中EDS图显示Mo和Cr偏析到组织边界。

(a) 单熔体法制备的LB-PbFAlSi12的典型微观结构。(b)扫描电镜图像显示具有Si偏析的熔池边界区。(c)采用90°扫描旋转方式生产的Ti6Al4V。(d)后续层之间的67°扫描旋转。

(a)显示晶粒取向的IPF图。(b)显示熔池高角度晶界的SEM显图像。(c)显示晶胞结构的TEM显微图像。(d)晶胞边界上的氧化物杂质，316L的IPF图显示了熔池对织构的影响。(e)熔池宽度175μm，深度75μm(f)熔池宽度175μm，深度125μm，和(g)熔池宽度250μm，深度125μm。

(a)LB-PBF Ti6Al4V的SEM图像。(b)扫描电镜图像EB-PBF Ti6Al4V。(c)(a)项所示样本的Micro-CT扫描 。(d)LB-PBF Ti6Al4V同步辐射显微断层扫描，分辨率为1.5μm。

(a)扫描旋转(φ)=90°和(b)φ=67°的LB-PBF Ti6Al4V试样的重建Micro CT图像的俯视图，(c)显示LB-PBF过程中使用的四种不同工艺参数组合的缺陷尺寸分布的直方图。

疲劳驱动断裂是承载部件结构失效的最主要原因。在传统制造的金属合金中，驱动疲劳失效的萌生、扩展和快速断裂机制的微观结构起源已被充分理解。然而，对于AM合金中独特的微观结构（如细亚稳相、细观结构和孔隙率——所有这些都是由独特的加工属性直接导致的）如何影响疲劳和断裂的理解尚未牢固确立。这不仅对AM部件的可靠性评估至关重要，而且有助于确定必须修改的加工步骤，以生产具有足够或优越结构完整性的部件。AM与大量工艺参数相关联，允许复杂的设计特征，导致极不寻常的加载配置，并允许定制零件生产；这使得连接材料、工艺和结构特别困难。