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背景简介

增材制造（AM）有很多优点，但由于直接成型的零件表面粗糙度高，对机械性能(如疲劳寿命)的影响仍然限制了该技术的进一步应用。由于电子束熔融（EBM）技术使用更快的扫描速度、更大的粉末尺寸和更厚的构建层，所以该类零件的表面粗糙度也大大高于使用其他增材方式生产的零件。AM直接成型零件高粗糙度的表面特征成因可能是零件表面存在部分融化的粉末和粉末熔融球化现象，统称为“Staircase effect”。

前人的工作已存在一些通过量化其它材料的表面粗糙度，并将粗糙度量化数据与构件疲劳寿命相关联的成功先例。他们发现通过部分表面参数可以定量化表征表面粗糙度对材料的疲劳寿命的影响。因此该研究着重于表面粗糙度的变化效应对热等静压(HIP) EBM Ti-6Al-4V高周疲劳寿命（HCF）的影响。

成果介绍

（1）对比了HIP EBM Ti-6Al-4V原始粗糙表面状态和加工抛光后状态的表面状态和高周疲劳寿命。发现原始状态下表面粗糙度高（图1、2），而且从寿命统计数据来看（图3），原始状态下试样疲劳寿命明显低于加工抛光后试样。并且试样表面R_p值（代表粗糙度轮廓的峰值）的增加会导致EBM Ti-6Al-4VHCF疲劳寿命降低。相比之下，Ra值（代表粗糙度轮廓的均值）与EBM Ti-6Al-4V样品的HCF寿命没有明显相关性。

图1 直接成型HIP EBM Ti-6Al-4V原始状态（a）和加工抛光后（b）表面对比

图2 直接成型HIP EBM Ti-6Al-4V原始状态（a）和加工抛光后（b）表面三维形貌对比

图3 直接成型HIP EBM Ti-6Al-4V原始状态和加工抛光后高周疲劳寿命对比

（2）通过对两种状态下的试样疲劳断口进行表征，发现原始状态试样断口（图4）倾向于出现多个表面起裂源。而加工和抛光试样断口（图5）显示出表面起裂的情况很少，裂纹形核位点更多地与次表面特征相关。

图4 直接成型HIP EBM Ti-6Al-4V原始状态试样高周疲劳断口

图5 直接成型HIP EBM Ti-6Al-4V加工和抛光后试样高周疲劳断口

（3）测量了两种状态下试样表面至内部的维氏硬度（HV）的变化。发现在加工和抛光（图6）样品中，从表面到内部材料的硬度变化比在原始状态（图7）样品中看到的要小。但是可以确定从表面到大块材料的材料硬度没有极端的变化，基本可以归因于材料硬度的自然变化，因此按照他们的观点，这部分硬度值波动对疲劳没有很大的影响。

图6 加工和抛光样品从表面到内部的HV硬度变化

图7 原始状态样品从表面到内部的HV硬度变化

致谢

该工作得到了欧洲社会基金材料和制造学院、GKN Additive、斯旺西大学AIM设施、威尔士涂层和印刷中心部的支持。本文通讯作者：Lancaster R J（Institute of Structural Materials, Bay Campus, Swansea University, Swansea, SA1 8EN, UK）。