背景简介

 增材制造（AM）技术因其高设计自由度和复杂轻量结构成型优势，在航空航天、高速列车等关键领域备受关注。钛合金（Ti-6Al-4V）凭借优异的比强度和抗腐蚀性能，在发动机叶片、飞机结构以及轨道交通转向架等部件轻量化设计中具有巨大潜力。然而，AM过程产生的孔隙、未熔合颗粒等缺陷，显著降低了材料及结构部件的疲劳性能，限制了其在安全要求极高的领域推广应用。热等静压（HIP）后处理能有效降低或消除AM材料内部缺陷，显著提升材料级试样的疲劳性能，但对实际复杂结构部件中近表面缺陷的消除效果有限，导致材料与结构级部件疲劳性能存在明显差异。因此，亟需深入开展跨尺度疲劳性能研究，揭示缺陷对结构疲劳寿命的影响机制，并建立有效的疲劳性能预测方法，推动AM钛合金在高端装备制造领域的可靠应用。

成果介绍

  （1）图1显示了该工作提出的“宏观有限元-微观组织-裂纹扩展”一体化多尺度模型：宏观层面依据构件几何、约束与基本力学参数获取应力/应变场并定位表面高风险区；微观层面以晶粒长短轴、取向、欧拉角连通性、晶界距离及晶粒取向差量化晶界的阻碍效应。以表面半椭圆裂纹为几何表征，近似沿最大主应力面进行二维等效扩展，并将宏观应力场与微观组织结构耦合以计算疲劳裂纹扩展寿命。模型仅以试验条件、单轴拉伸性能与微观组织信息为输入，参数简约、物理可解释强、计算效率高。该模型在材料级与结构级保持一致的预测口径，可直接支撑增材制造Ti‑6Al‑4V材料与结构的抗疲劳设计、缺陷评估和检测策略。

图1 疲劳强度预测的多尺度模拟策略框架

（2）图2显示的试验断口与SEM观测表明，牵引拉杆（热等静压）裂纹起始于套筒内壁近表面的未熔合缺陷，缺陷腔体内可见未熔粉末；扩展区伴随多处次生微裂纹，并与圆弧过渡处的应力集中区相贯通。断裂位置与有限元预测热点一致，说明表层/近表层缺陷与局部应力集中耦合，是结构级增材制造Ti‑6Al‑4V牵引拉杆早期起裂与随后的加速扩展的主导机制。同时，HIP虽能降低材料级内部孔隙，但对复杂几何部位的大尺寸近表面缺陷改善有限，难以从根源上消除起裂源。

图2 (a)牵引拉杆在22.39 kN，7.83×10⁴载荷循环时断裂位置；(b)为(a)中断裂位置的放大图像；(c) SEM观察:(1)裂纹起始部位放大图；(2)缺陷放大图；(3)紫色框区域放大图

（3）图3显示了依据前述方法开展的AM Ti‑6Al‑4V材料级与结构级的S-N曲线预测结果。材料级方面，基于单轴拉伸与微观组织驱动的模型预测的S-N曲线与试验数据在全载荷区间保持良好一致，尤其在疲劳极限附近仍具有较高相关性，验证了模型对AM Ti‑6Al‑4V的适用性与精度。结构级方面，为阐明近表面不规则缺陷对寿命的主导作用，引入“等效缺陷-虚拟裂纹”策略：以表面半椭圆虚拟裂纹将缺陷几何参数化，作为裂纹扩展子模型的初始条件，依据N–a演化计算总寿命；并同步给出“无缺陷”基线预测。由二者构成的寿命包络覆盖牵引杆各试验点，表明模型可在材料-结构两级统一表征疲劳响应，并定量揭示近表面缺陷对构件寿命的削弱效应；上述结果为“材料级显著提升、结构级提升受限”的差异提供了机制层面的解释。

图3 S-N曲线预测结果：（a）试样级；（b）结构级

致谢

这项工作得到了中国国家自然科学基金（NSFC）、中国国家铁路集团有限公司科技研发计划、中国国家留学基金管理委员会（CSC）、日本学术振兴会科研费（JSPS KAKENHI）以及大阪大学“OU Master Plan Implementation Project”的支持与资助（No. 12402087、U2468209、P2024J001、24K22929、24K00967）。本文第一作者：池维乾（北京交通大学），通讯作者：周红昌^a, 闫瑞国^b（^a大阪大学接合科学研究所, ^b清华大学工程力学系）。

本期小编 池维乾（整理）

周子尧（校对）

  舒　阳  （审核）

董乃健（发布）