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引文格式：
Dong N J, Wang K K, Wen J F, et al. Effects of post-processing and loading orientation on high-cycle fatigue of selective laser melted Ti-6Al-4V[J]. International Journal of Fatigue, 2024: 108433.
Dong, Nai-Jian, et al. "Effects of post-processing and loading orientation on high-cycle fatigue of selective laser melted Ti-6Al-4V." International Journal of Fatigue (2024): 108433.
Dong, N. J., Wang, K. K., Wen, J. F., Chen, B., & Tu, S. T. (2024). Effects of post-processing and loading orientation on high-cycle fatigue of selective laser melted Ti-6Al-4V. International Journal of Fatigue, 108433.
背景简介
采用选区激光熔融 (Selective Laser Melting，SLM) 技术制备双相钛合金Ti-6Al-4V引发了许多关注。已有研究表明，后处理方式以及加载方向对于SLM Ti-6Al-4V的高周疲劳性能具有显著影响。此影响主要源于SLM过程固有的某些特性，包括非平衡相、柱状晶粒、显著的晶体学织构，以及难以彻底避免的缺陷等因素。一些学者通过设计特定的后处理方法，消除缺陷并优化微观组织，增强了SLM Ti-6Al-4V的高周疲劳性能。另外，材料在高周疲劳性能方面可能展现出明显的各向异性。目前，现有的增材制造材料疲劳寿命预测模型初步考虑了起裂缺陷特征 (例如缺陷尺寸、位置、形状等) 对高周疲劳寿命的影响，但基于缺陷特征的模型无法体现微观组织 (α′马氏体或α+β) 对高周疲劳寿命的影响，尚不足以准确预测不同后处理状态及不同加载方向下的高周疲劳寿命。因此，本研究探究不同后处理状态与加载方向下SLM Ti-6Al-4V合金的高周疲劳断裂机理，并力图建立更为合理的高周疲劳寿命预测模型。
成果介绍
（1）本研究设计了三种后处理状态：应力消除退火 (Stress Relief, SR: 550℃-2h)，亚β相转变温度退火 (Sub-transus: 920℃-2h) 及热等静压 (Hot Isostatic Pressing: 920℃, 100MPa-2h)。三种后处理方法得到的微观组织如图1所示。不同后处理方式对微观组织的影响主要体现在α相的板条宽度及β相比例上。Sub-transus后处理得到的α相的板条宽度相比于SR状态明显更粗；同时组织类型从SR状态下的α′马氏体转变为α+β。HIP处理采用和Sub-transus处理相同的温度，得到的微观组织与Sub-transus相近。图2所示为利用X射线断层扫描技术 (X-ray Computed Tomography, XCT) 还原材料内部缺陷三维形态的结果。图2a显示的是材料当中的典型未熔合缺陷，这类缺陷最大的特性是具有明显的各向异性形态及明确的取向，其长轴与打印过程中的构建方向存在明显的垂直关系，结合图2b和2c亦发现大部分缺陷的长轴与打印过程中的构建方向几乎呈垂直关系。HIP处理显著减少了材料当中的缺陷，在扫描的样品当中发现最大缺陷尺寸仅为21μm (图2d)。而从SR及Sub-tansus样品中的缺陷尺寸及球度统计结果 (图2e) 中可得两种样品中的缺陷几乎没有明显差异。
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图1 不同后处理状态下 SLM Ti-6Al-4V 的微观组织：(a) - (c) 光学显微镜图像；(d) 二次电子图像； (e) 和 (f) 为背散射电子图像
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图2 XCT 测试结果：(a) SR状态下主要缺陷的形态；(b) SR状态下以缺陷尺寸着色的结构还原模型；(c) SR状态下以缺陷长轴与打印方向之间的夹角，即取向着色的结构还原模型；(d) HIP 状态；(e) 用于比较 SR、Sub-transus 和 HIP 状态三者的缺陷球度与其等效直径的散点图
（2）本研究开展了三种后处理状态 (SR、Sub-transus和HIP) 和两种加载方向 (Horizontal和Vertical)下的常温拉伸试验及高周疲劳试验。图3a和3b分别为两种疲劳起裂模式的典型断口图，图3c则给出了定义起裂源尺寸和位置的具体规则。本研究发现SLM Ti-6Al-4V的高周疲劳寿命主要受各向异性缺陷形态和固有微观组织的综合影响。将热处理温度从 550 ℃ (SR) 提高到 920 ℃ (Sub-transus) 可改善高周疲劳性能。鉴于缺陷形态和分布保持不变的情况下，这种改善可归因于微观组织的改变 (从以非稳态针状α'马氏体为主，转变为 α+β 相)。
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图3 LSP处理对WAAM样品力学性能的影响：(a)应力应变曲线，(b)屈服强度、抗拉强度和伸长率
（3）研究发现，Sub-transus状态下高周次 (106-107周次) 断口的起裂缺陷附近存在微裂纹萌生阶段，而SR状态没有。该区域最大的特征是：部分晶面呈现解理的特征，而另一部分晶面则是含有一定数量的疲劳条纹，具体形貌见图4c。微裂纹萌生首先发生在缺陷周围的局部区域，而不是同步地发生在整个缺陷边界。这意味着，缺陷处引发的微裂纹在裂纹发展初期的动力不足，无法在所有的晶面进行扩展。结合Sub-transus状态下疲劳强度相比于SR状态下有所提升这一结果 (图3d和3e)，可以推论得到，α板条的粗化可促使缺陷处起裂微裂纹萌生寿命提高。原因是在一定范围内，α板条尺寸相对越大的情况，微裂纹萌生所受的阻力更大，需要更多周次的疲劳损伤的积累，才能让微裂纹尺寸逐步扩大。另外，据图4d-4f，可说明施加足以让试样承受107周次的疲劳载荷同样会导致材料发生不可逆的损伤，原因是图4d-4f中试样承受107周次的疲劳载荷 (100MPa) 后继续施加更高的应力幅 (120MPa)，发现断裂得到的微裂纹萌生区域 (图4d中白色点状虚线围成区域) 面积大于图4a-4c中结果，但是第二轮载荷下的失效周次 (120MPa - 1.14×106周次) 相比于图4a-4c中的样品 (170MPa – 6.74×106周次) 反而更短。这说明对于图4d-4f中试样来说，其微裂纹萌生区域是由第一轮疲劳载荷 (100MPa - 1×107周次) 作用而形成的，虽然不致试样断裂，即施加的应力幅低于高周疲劳极限，但同样会导致疲劳损伤的累积和微裂纹萌生。
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图4 Sub-transus状态下的起裂缺陷周围的断裂形貌。(a) – (c) 为Horizontal条件下高周次的一疲劳断口。(d) – (f) 为Vertical条件下高周次的一疲劳断口
（4） HIP处理后，SLM Ti-6Al-4V的疲劳起裂模式从缺陷起裂转变为微观组织起裂。而在微观组织起裂模式下，依据不同起裂源形貌特征，本研究将起裂模式继续细分为三种类型：Soft-Hard grains (Type Ⅰ), Soft-Soft grains (Type Ⅱ)和Cluster (Type Ⅲ)。图5为HIP处理后三种微观组织起裂类型的典型断口及以三种起裂类型着色的S-N图。图3d-3f表明，HIP处理通过消除缺陷显著提高了SLM Ti-6Al-4V疲劳强度 (疲劳极限从 SR 或者 Sub-transus 状态下的 100-120MPa 提升至 300MPa 左右)。但是，亚β相转变温度的热处理条件会导致SLM Ti-6Al-4V中出现一些异常粗大的晶团 (图5h)，这些晶团所引发的疲劳起裂在S-N图 (图5i) 中呈现的平均疲劳强度较差，由此证实了高温热处理导致的异常粗大晶粒限制了HIP处理对疲劳性能的改善作用。
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图5 不同试样在HIP 状态下的裂纹萌生区域，以区分Ⅰ型 (a 和 b：σa= 320 MPa，N= 5.49×106 周次)、Ⅱ型 (c 和 d：σa= 320 MPa，N= 6.70×106 周次) 和Ⅲ型 (e-g：σa= 370 MPa，N= 9.54×104 周次) 的萌生形态。(h) 光学显微镜下观察到的原始微观组织包含一些异常粗化的晶团。(i) 按萌生形态着色的 HIP状态下 S-N 曲线
（5）本研究统计了大量相关文献报道的增材制造 Ti-6Al-4V拉伸性能和高周疲劳性能数据 (图6a)，发现拉伸性能和疲劳极限之间有良好的相关性，如图6b所示。在此基础上，本文提出了一个模型来预测 SLM Ti-6Al-4V 在特定后处理和加载方向下的高周疲劳寿命，详见式 (1)。
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其中，N'=log10(N/107)。α=1-A4（σmax-σy）。A1 和 A4为拟合参数。对于缺陷起裂，A2 = 1/6, A3= 0。而对于微观组织起裂，A2 = 0，A3通过拟合得到。通过引入拉伸屈服强度和断裂延伸率，以及考虑不同起裂模式的影响，本模型的预测精度相比只考虑起裂缺陷特征的X 参数模型大幅提高。图7为应用X 参数模型及本文提出的模型来对SR 和 Sub-transus 数据集进行预测的效果对比。相比于X参数模型的 ±5 倍误差带，以本文提出的模型对SR 和 Sub-transus 数据集进行预测，可将误差限定在 ±2 倍之内；而以本文提出的模型对HIP数据集进行预测的效果提升显著 (图8)，从X参数模型的 ±70 倍误差带，精确至 ±5 倍误差带。另外本文提出的模型在一定程度上揭示了拉伸性能和疲劳性能之间的内在联系，为增材制造材料疲劳性能的进一步提高提供了思路。
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图6 (a) 增材制造 Ti-6Al4V 的屈服强度和断裂延伸率之间的关系，收集自前人的文献及本研究数据。不同符号代表样品的不同后处理状态，其中 > 或 < 800°C 表示热处理温度高于或低于 800° C。(b) 对比仅利用屈服强度和同时考虑屈服强度和断裂延伸率来预测疲劳极限的效果。注：疲劳极限定义为完成 107 周次的最大应力幅
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图7 以X模型与本文提出模型预测 SR 和 Sub-transus 数据集的预测效果对比
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图8 以X模型与本文提出模型预测 HIP 数据集的预测效果对比
致谢
感谢国家自然科学基金委员会、英国工程与物理科学研究委员会等提供的支持。本文第一作者：董乃健（华东理工大学）；通讯作者：温建锋（华东理工大学），陈博（University of Southampton）。
本期小编：董乃健（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
王永杰（发布）
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