Ostergaard H E, Pribe J D, Hasib M T, et al. Crack growth in laser powder bed fusion fabricated alloy 718 at 650°C under static and cyclic loading[J]. International Journal of Fatigue, 2025, 193: 108810.
Ostergaard, Halsey E., et al. "Crack growth in laser powder bed fusion fabricated alloy 718 at 650°C under static and cyclic loading." International Journal of Fatigue 193 (2025): 108810.
Ostergaard, H. E., Pribe, J. D., Hasib, M. T., Siegmund, T., & Kruzic, J. J. (2025). Crack growth in laser powder bed fusion fabricated alloy 718 at 650°C under static and cyclic loading. International Journal of Fatigue, 193, 108810.
背景简介
镍基合金718因其优异的高温性能，被广泛应用于航空航天和能源领域。激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术为复杂结构部件提供了新途径，但高温下裂纹扩展行为尚不明确。近期，澳大利亚新南威尔士大学团队在《International Journal of Fatigue》发表研究，系统揭示了LPBF合金718在650℃下的裂纹扩展机制，并探讨了热等静压（HIP）后处理对性能的优化作用。
成果介绍
（1）高频循环载荷（30 Hz）下的裂纹扩展：在30 Hz高频循环载荷下，裂纹扩展以穿晶为主，伴随少量沿晶扩展（图1）。HIP处理显著提升裂纹扩展抗力，其Paris幂律指数（m=2.45-2.90）优于未HIP处理的样品（m=1.57-1.58），接近锻造材料水平（m=2.75）。裂纹路径粗糙度与晶粒尺寸正相关，HIP处理因晶粒粗化进一步抑制扩展速率。
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图1 在 650℃、30 Hz 和 R = 0.5 下测试合金 718 的近阈值 30 Hz 疲劳裂纹表面：a） Z-X 取向的 LPBF S + DA，b） X-Z 取向的 LPBF S + DA，c） Z-X 取向的 LPBF HIP + S + DA，以及 d） 锻造。在所有图像中，裂纹扩展方向为从左到右
（2）静态与低频载荷下的环境敏感行为：在静态或0.1 Hz低频载荷下，裂纹扩展以沿晶为主（图2），氧辅助动态脆化机制占主导。未HIP处理的LPBF样品在裂纹扩展起始时呈现显著各向异性：当裂纹面垂直于柱状晶方向（Z-X取向）时，裂纹扩展阈值提高至37.2 MPa·m1/2，并伴随剧烈路径偏转（图3），阻碍氧扩散；而HIP处理后，因大量Σ3特殊晶界（占比35-40%）抑制氧化，材料表现出优异的抗沿晶裂纹扩展能力。
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图2 恒定施加载荷650℃裂纹表面。a）LPBF HIP + S + DA 晶间表面，伴随塑性变形的孔洞合并区域在b）中被放大；c） LPBF S + DA 的X-Z 晶间表面及局部放大图d）；e）锻造的晶间断裂表面；f）LPBF S + DA Z-X 样品从室温预裂纹到高度曲折晶间生长的转变（在所有图像中，裂纹扩展方向都是从左到右的）
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图3 在 0.1 Hz 下通过侧槽测试了 Z-X 取向 LPBF S + DA 样品中平面的选定背散射图像和 EDS：a） 裂纹偏转的光学复合材料概述；b） 在 650℃ 时，环境温度预制裂纹和 0.1 Hz 裂纹扩展之间的转变，显示预制裂纹尖端之前出现大面积损伤；c-g） SEM 图像和相应的 O 和 Nb 相对浓度 EDS 图显示未断裂晶界、蠕变孔洞和未连接到主裂纹的裂纹处氧缺失，相比之下，氧存在于与主裂纹相连的穿晶裂纹和沿晶裂纹中；两个熔池边界在 b） 和 g） 中以蓝色突出显示
（3）HIP处理的晶界工程效应：HIP处理使LPBF合金718发生再结晶，形成随机取向的等轴晶和Σ3孪晶界（图4d）。此类晶界抗氧化能力强，显著降低沿晶裂纹敏感性。HIP后材料的静态裂纹扩展速率（10-7 m/s）比锻造材料低一个数量级（图5），展现高温应用的潜力。
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图4 本研究中使用的两种 LPBF 后热处理条件的 EBSD 图（每列都是更大范围的 EBSD图的代表性子区域）：a） 和 b） 是反极图取向分布图，构建方向为垂直方向；c） 和 d） 是具有特殊重合位点（CSL） 晶界的晶界图（主要是Σ3） 以指示的颜色突出显示；e） 和 f） 是晶粒平均取向差图，即晶粒内每个点相对于晶粒平均值的取向差的平均值。（对于 HIP + S + DA 条件，在计算取向差前已合并由Σ3晶界分隔的晶粒）
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图5 在 650℃ 的恒定静态施加载荷下裂纹扩展速率：HIP + S + DA Z-X 裂纹路径的复合显微图，显示偏转和分叉。对于 S + DA 样品，仅确定了预制裂纹（向下的蓝色箭头）初始生长的阈值。半填充符号是由于裂纹偏转和分叉而不符合 ASTM 标准的数据
该研究阐明了LPBF合金718在高温下的裂纹扩展竞争机制（穿晶疲劳 vs. 沿晶氧化），并提出通过HIP工艺实现晶界工程优化，为增材制造高温部件的可靠性设计提供了理论依据。HIP处理后材料的性能接近甚至优于传统锻造材料，为航空航天发动机等关键领域的高温部件制造开辟了新路径。
致谢
研究由美国能源部国家能源技术实验室资助（项目编号：DEFE0011796）。论文通讯作者：Jamie J. Kruzic (University of New South Wales)，第一作者Halsey E. Ostergaard (University of New South Wales)。
本期小编 刘尧风（整理）
姚辰霖（校对）
郭子键（审核）
董乃健（发布）
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