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Brot G, Koutiri I, Bonnand V, et al. Microstructure and defect sensitivities in the very high-cycle fatigue response of Laser Powder Bed Fused Ti–6Al–4V[J]. International Journal of Fatigue, 2023, 174: 107710.
Brot, Grégoire, et al. "Microstructure and defect sensitivities in the very high-cycle fatigue response of Laser Powder Bed Fused Ti–6Al–4V." International Journal of Fatigue 174 (2023): 107710.
Brot, G., Koutiri, I., Bonnand, V., Favier, V., Dupuy, C., Ranc, N., ... & Hauteville, R. (2023). Microstructure and defect sensitivities in the very high-cycle fatigue response of Laser Powder Bed Fused Ti–6Al–4V. International Journal of Fatigue, 174, 107710.
背景简介
Ti-6Al-4V是增材制造中研究最多的合金之一，其因高比强度和疲劳强度而应用范围广泛。然而，增材制造过程中的孔隙度和微观结构变化会显著影响材料的高周疲劳（HCF）和超高周疲劳（VHCF）强度。使用激光粉末床熔融（LPBF）技术来进行增材制造，许多关键工艺参数都可以通过影响孔隙度或微观结构来影响疲劳强度。但目前将增材制造材料的具体微观结构和孔隙度与高周/超高周疲劳性能联系起来的研究较少。在LPBF过程中，小熔池尺寸和相对较高的激光扫描速度导致冷却速率非常快，因此得到的Ti-6Al-4V材料的微观结构是超细层状结构，呈现出由四种类型的马氏体α'相组成的分层结构尺寸逐渐减小的层状结构，并形成两种主要类型的气孔：未完全熔融气孔和球形气孔。此外，LPBF部件还会保留较高水平的表面拉伸残余应力，而且LPBF-Ti-6Al-4V的特定微观结构会影响其机械性能，例如β相和α'相的组成体积分数。
为了提高增材制造零件的疲劳强度，参数优化是一个重要的挑战。研究结果表明，在20 kHz频率下进行的超声疲劳测试对增材制造材料的微观结构和孔隙度具有一定的敏感性。随着LPBF机器制造商和用户经验的增加，极低的孔隙率水平应该变得更加普遍。因此，LPBF制造的Ti-6Al-4V的孔隙率诱导疲劳破坏和微观组织诱导疲劳破坏之间的过渡具有重要意义。该研究对5个具有不同孔隙率水平或微观结构的LPBF-Ti-6Al-4V性能进行了探究。
成果介绍
（1）如图1所示的S-N曲线，相同的孔隙率条件下P1_920 ℃和P1_1020 ℃分别具有最高和最低的疲劳强度，微观结构的变化导致在VHCF范围内的疲劳强度下降了大约180 MPa。而对于一定的晶粒尺寸，疲劳强度随孔隙率水平增加而降低，孔隙率导致疲劳强度最高降低260 MPa。P1_920℃和P1_650 ℃的S-N曲线趋势根据孔隙类型不同呈现出了两种不同的模式。
图1 LPBF-Ti-6Al-4V的（a）五组孔隙率水平，（b）S-N曲线
（2）70%的试样裂纹萌生都位于材料内部，且在所有疲劳试样中，观察到三种类型的疲劳裂纹萌生：球形气孔（或匙孔）周围的裂纹萌生、未完全熔融气孔周围的裂纹萌生、无可见气孔的裂纹萌生区域，如图2所示。最常见的情况是在球形气孔附近萌生，P1_650 ℃、P1_920 ℃和P2_920 ℃都出现这个情况，球形气孔的尺寸在21-40 μm左右，其中P1_650 ℃和P1_920 ℃试样的裂纹还可能萌生于76-200 μm左右的未完全熔融气孔附近（这种气孔导致了疲劳强度的突然下降），如图2 (a)-(b)所示。对于P2_920 ℃试样，裂纹大多是萌生于尺寸在249-644 μm范围内的未完全熔融气孔以及尺寸在90-156 μm范围的匙孔，如图2 (c)-(d)所示，但是这种大尺寸的气孔对疲劳寿命的影响较小。对于P1_1020 ℃试样，裂纹大多萌生于没有气孔的大面积刻面，而最大的刻面尺寸与晶粒尺寸接近且可以观察到层状的α+β相，如图2 (e)所示。除此之外，这个试样有部分裂纹萌生于含12 μm直径球形气孔的大面积刻面，如图2 (f)所示。而P0_920 ℃试样的裂纹萌生区没有观察到气孔和刻面，如图2 (g)所示，说明热处理有效地去除了气孔。对于所有试样，在疲劳裂纹萌生区附近用光学显微镜观察到一个暗区，也称为细颗粒区，尺寸在150-300 μm范围内。
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图2 不同类型裂纹萌生方式的断口表面形貌：（a）球形气孔；（b）未完全熔融气孔；（c）P2_920 ℃试样相互作用的未完全熔融气孔；（d）P2_920 ℃试样的匙孔；（e）P1_1020 ℃试样中大面积刻面；（f）P1_1020 ℃试样中大面积刻面和球形气孔；（g）P0_920 ℃试样无孔隙或大刻面
（3）使用K-T图来描述孔隙率对于疲劳性能的影响，对于每个试样，等效应力都是在107个周期内对应的平均曲线偏移得到的。El-Haddad和Murakami模型以KT模型为基础，在缺陷尺寸接近临界缺陷尺寸时有所不同，其中El-Haddad的模型考虑了短裂纹效应，在实际缺陷尺寸的基础上增加了一个假设的长度。在这项研究中，球形气孔的尺寸往往接近临界缺陷尺寸，在临界缺陷尺寸上，短裂纹效应占主导地位。因此，El-Haddad模型相对来说更加接近本研究所得到的数据，如图3所示。
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图3 Kitagawa–Takahashi (KT)图-920℃下的临界缺陷尺寸和微观结构与等效应力幅的关系
（4）为了分析从孔隙率诱导到微观结构诱导的疲劳裂纹萌生的转变，建立了晶宽-孔径图，如图4所示。由于其不均匀的形状和较大的尺寸都有利于裂纹的产生，因此在未完全熔融气孔的情况下，无法将形状效应和尺寸效应分开。从该图中看出无论是什么临界缺陷（晶粒或孔隙），似乎都是最大的缺陷控制裂纹的产生。当气孔尺寸变得大于晶粒尺寸时，会出现从晶粒到孔隙率诱导的裂纹萌生的转变，当临界或最大孔的大小与微观结构的大小相差约一个数量级时，可以清楚地突出关键缺陷的类型与其大小之间的相关性。与微观结构的类型、缺陷的形状相比，临界缺陷（孔隙或晶粒）的大小对疲劳裂纹的萌生影响呈一阶线性相关。
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图4 晶粒宽度、孔径与产生的疲劳裂纹萌生类型之间的关系
致谢
这项工作得到了法国国家航空航天研究局（ONERA）和法国欧洲航空航天工业中心（CETIM）的支持。本文通讯作者：Grégoire Brot（DMAS, ONERA, Université Paris Saclay, 29 Avenue de la Division Leclerc, Châtillon, France）。
本期小编：王永杰（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
闵 琳（发布）
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