Barricelli L, Patriarca L, du Plessis A, et al. Orientation-dependent fatigue assessment of Ti6Al4V manufactured by L-PBF: Size of surface features and shielding effect[J]. International Journal of Fatigue, 2023, 168: 107401.
Barricelli, L., et al. "Orientation-dependent fatigue assessment of Ti6Al4V manufactured by L-PBF: Size of surface features and shielding effect." International Journal of Fatigue 168 (2023): 107401.
Barricelli, L., Patriarca, L., du Plessis, A., & Beretta, S. (2023). Orientation-dependent fatigue assessment of Ti6Al4V manufactured by L-PBF: Size of surface features and shielding effect. International Journal of Fatigue, 168, 107401.
背景简介
相较于传统制造的Ti6Al4V材料,激光粉末床熔融(L-PBF)技术制造的Ti6Al4V疲劳性能明显降低。在制造过程中引入一些导致L-PBF Ti6Al4V直接成型零件局部应力升高(即内部缺陷和表面不平整)的因素,使得疲劳性能变得更加不稳定。
随着Ti6Al4V合金在增材制造行业的广泛应用,需要进一步提高预测AM零件疲劳性能的能力以及厘清影响其疲劳性能波动的关键因素。这项工作旨在阐明取向对Ti6Al4V合金疲劳行为的影响,并且基于断裂力学的框架,将可测得的表面粗糙度参数与疲劳寿命相关联,以达到准确预测零件疲劳寿命的目的。
成果介绍
本研究以4种不同取向打印的直接成型全致密疲劳试样进行实验,探索了As-built状态下表面条件对退火L-PBF Ti6Al4V合金疲劳性能的影响,忽略残余应力和内部孔隙率的影响。
(1)轴向和4PB试样的表面粗糙度数据(表1)和疲劳寿命数据(图1)表明,取向对直接打印成型疲劳强度有重要影响,因为不同打印取向的试样的表面粗糙度会有所不同。相对于最粗糙的系列(圆棒试样和4PB代号D试样),表面光滑的零件(4PB代号A试样)的疲劳性能更好。
表1 不同型式和取向的直接打印成型试样的粗糙度数据
图1 L-PBF Ti6Al4V的S-N曲线:(a)轴向疲劳,试样取向平行于打印方向;(b)4PB(4-Point Bending)四点弯曲疲劳试验
(2)通过对断裂表面的观察(图2)、缺陷尺寸分析(表2)和粗糙度分析(图3),粗糙系列(圆棒试样和4PB代号D、E试样)的特征是断裂起点处有深表面凹槽,而光滑4PB系列代号A试样的致命缺陷是与激光焊接轨迹在断裂平面上的投影相对应的小尺寸三角形表面微缺口。
图2 不同类型试样的断口SEM分析
表2 对4PB试样系列代号D和代号E(每个系列3个样本)进行XCT扫描,并将采用三种不同测量方法获得的等效裂纹尺寸进行比较。
图3 三种不同等效缺陷尺寸计算方法示例
(3)使用光学显微镜和XCT技术沿着最大主应力方向获得表面轮廓的粗糙度分析(图4)。发现最大谷深𝑅𝑣𝑚𝑎𝑥与致命缺陷的最大极值分布(LEVD)相叠加,表明𝑅𝑣𝑚𝑎𝑥可以采用作为初始等效缺陷尺寸。
图4 关联不同类型试样致命缺陷和粗糙度参数𝑅𝑣𝑚𝑎𝑥
(4)利用Barricelli and Beretta在2021年提出的平均几何因子𝐹。该因子代表表面粗糙度在直接成型状态下的屏蔽性能。他们对Murakami的屏蔽系数理论模型进行了调整,使其适用于打印的L-PBF材料表面。对于L-PBF Ti6Al4V:
由上式计算得到不同类型试样的平均几何因子(表3)。4PB代号为A的试样是无屏蔽作用的,因为水平构建方向保证了受试表面足够光滑,表面缺口之间不会有任何相互作用。
表3 不同类型试样的平均几何因子
通过对比不同类型试样的试验及是否应用平均几何因子来预测应力-寿命曲线(图5)。彩色虚线表示考虑√area50%缺陷尺寸(无屏蔽校正和有屏蔽校正)进行的寿命预测。√area50%代表失效概率为50%时的Murakami最大极值分布等效裂纹尺寸。当不应用屏蔽修正时,预测的S-N曲线的有限寿命区与实验数据叠加,而疲劳极限被低估。当应用修正时,预测的疲劳极限增加,因为它考虑了由从彼此接近的表面缺口处的非扩展裂纹的相互作用。
图5 不同类型试样的疲劳试验数据及是否应用平均几何因子的寿命预测曲线
致谢
作者对Leonardo S.p.A..公司 Romano Iazurlo博士提供的在R = 0.1条件下测试的垂直试样的可用测试数据表示感谢。本文通讯作者:Beretta S(Politecnico di Milano, Department of Mechanical Engineering, via La Masa 1, I-20156 Milan, Italy)。
本期小编:董乃健(整理)
徐浩波(校对)
王康康(审核)
闵 琳(发布)