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引文格式：
Soyama H, Wong K L, Eakins D, et al. The effects of submerged laser peening, cavitation peening, and shot peening on the improvement of the torsional fatigue strength of powder bed fused Ti6Al4V produced through laser sintering[J]. International Journal of Fatigue, 2024, 185: 108348.
Soyama, Hitoshi, et al. "The effects of submerged laser peening, cavitation peening, and shot peening on the improvement of the torsional fatigue strength of powder bed fused Ti6Al4V produced through laser sintering." International Journal of Fatigue 185 (2024): 108348.
Soyama, H., Wong, K. L., Eakins, D., & Korsunsky, A. M. (2024). The effects of submerged laser peening, cavitation peening, and shot peening on the improvement of the torsional fatigue strength of powder bed fused Ti6Al4V produced through laser sintering. International Journal of Fatigue, 185, 108348.
背景简介
通过激光烧结（LS）生产的粉末床熔融Ti6Al4V（PBF/Ti6Al4V或PBF-LS/Ti6Al4V）是一种有吸引力的金属材料，因为其拓扑优化的形状可以直接由计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）形成，可应用于医疗植入物和航空部件。然而，由于表面粗糙度大，PBF/Ti6Al4V的疲劳强度普遍较锻造金属弱很多。因此，需要对PBF/Ti6Al4V进行后处理以提高疲劳强度。
据报道，PBF过程中构建方向会影响疲劳强度，而喷丸强化（SP）等机械表面处理可以提高PBF金属的疲劳强度。而为了降低PBF金属的表面粗糙度，已有多种方法被提出，这些方法均能提高PBF/Ti6Al4V的疲劳强度，例如机械表面处理、化学蚀刻和空化磨料技术等。作为典型的机械表面处理喷丸工艺，激光冲击喷丸技术能显著提高PBF/Ti6Al4V的疲劳强度，一种方法是使用高能量脉冲激光器，另一种是在充满水的腔室中进行，称为浸没式激光喷丸，利用激光烧蚀（LA）和激光空化（LC）的双重作用来增强金属性能。本研究比较了浸没式激光喷丸（SLP）、空化喷丸（CP）和水射流喷丸强化（SPwj）处理对PBF-LS/Ti6Al4V扭转疲劳强度的影响，通过载荷控制和角度控制扭转疲劳测试评估了不同处理方法的效果。
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 在τa=460 MPa时，疲劳寿命随激光脉冲密度（ρL）或加工时间（tp）的变化
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图2 与原始试样相比，PBF-LS/Ti6Al4V在SLP、CP和SPwj三种方法下的扭转疲劳强度
（2）通过扫描电子显微镜观察了不同条件后处理下的扭转疲劳断裂表面，如图3所示。本研究中所有经SLP、CP和SPwj处理的喷丸试件均因拉伸法向应力的作用而断裂，且疲劳裂纹都是从表面缺陷处开始萌生的，因为在裂纹萌生位置附近观察到未熔化的颗粒，表面缺陷的深度约为100 μm。这些观察结果表明，SLP、CP和SPwj改善了PBF-LS/Ti6Al4V的疲劳性能，尽管裂纹都是由表面缺陷引发的。
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图3 扫描电子显微镜观察到的断裂表面裂纹萌生位置
（3）为了预测后处理对疲劳性能的改善（Nfest），提出了基于表面粗糙度和残余应力（即可以非破坏性测量的样品参数）的试验相关公式。试样由于拉伸法向应力断裂，该应力在45°方向上达到最大值，而非剪切应力。因此本研究即使为扭转试验，也必须将法向残余应力视为决定疲劳性能的主要因素。如式1和式2所示，将表面粗糙度和残余应力的影响由表面粗糙度归一化，即RaAB、RzAB和原始试样的残余应力σRAB。统计了本研究中不同后处理工艺下的试验结果，得到表面粗糙度的偏度分别大约等于0、0.2和-0.7。因此得出结论，表面粗糙度在很大程度上取决于后处理条件，而为了描述每个后处理的偏度，引入了符号cSK作为常数，而ns和nR分别是表面粗糙度和残余应力影响的指数，最后通过最小二乘法从试验值中获得参数值。假设方程式3，其中abest和σa分别是最佳评估值和斜率误差，它们分别是通过误差分析获得的。Nfexp和Nfest之间的关系如图4所示，相关系数大于0.72。
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图4 实际试验疲劳寿命Nfexp和估计得到的疲劳寿命Nfest之间的关系
致谢
该研究得到了日本JSPS KAKENHI（22KK0050和23H01292）、JST CREST（JPMJCR2335）和日本天田基金会（AF-2021219-B）的部分支持。作者使用了英国牛津大学材料系David Cockayne电子显微镜中心的表征设施，并感谢英国亨利罗伊斯研究所提供的财政支持（Grant ref EP/R010145/1）。本文第一作者、通讯作者：Hitoshi Soyama（Tohoku University）。
本期小编 王永杰（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
王永杰（发布）
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