具有人工缺陷的增材制造TA15合金的多轴疲劳行为及疲劳寿命预测模型

《Materials Science and Engineering: A》：Multiaxial fatigue behavior and fatigue life prediction model of additive manufacturing TA15 alloy with artificial defect

多轴高周疲劳下人工缺陷对SLM TA15合金性能影响及预测模型研究，通过控制激光熄火参数制备三种尺寸（450/550/650μm）和位置（表面/中间/背面）人工缺陷，结合μCT三维重构、有限元应力分析及EBSD微观组织表征，揭示缺陷位置主导疲劳裂纹萌生路径，缺陷尺寸与位置协同影响疲劳寿命，提出修正的Murakami模型实现98%精度寿命预测。

　　

崔玉峰|祖群|齐新欣|程丽金|余文星|胡宁|赵立斌

河北工业大学机械工程学院，天津300401，中国

摘要

增材制造（AM）金属中的缺陷严重限制了部件的疲劳性能，尤其是在多轴高循环疲劳（MCF）载荷下。本研究通过引入人工缺陷，定量研究了缺陷特性对选择性激光熔化（SLM）TA15合金MCF寿命的影响。在AM过程中，嵌入了三种尺寸（450、550、650 μm）和三种位置（距试样表面0、500、1000 μm）的人工缺陷。使用微计算机断层扫描（μCT）全面表征了缺陷的形态，并创新性地利用缺陷的最大Feret直径来根据μCT测量结果表征其尺寸。MCF实验结果表明，人工缺陷的位置对MCF寿命有显著影响，且缺陷尺寸的影响与其位置相关。断裂形态显示，MCF裂纹主要从人工缺陷处开始，并沿最大正应力幅值平面扩展。采用有限元方法评估了代表性试样中人工缺陷周围的热点应力张量和应力集中系数，并结合电子背散射衍射（EBSD）和显微硬度映射，验证了人工缺陷附近的区域处于塑性状态。提出了一种结合缺陷尺寸和位置的改进型Murakami模型，以关联MCF寿命与人工缺陷。建立的寿命预测模型综合考虑了缺陷尺寸、位置、显微硬度和多轴应力，表明98%的预测结果落在疲劳寿命散布带的±2倍范围内，显示出其预测SLM TA15合金MCF寿命的高准确性。

引言

增材制造（AM）是一种革命性的逐层制造技术，在航空航天领域通过高效制造复杂结构而显示出显著优势[1]。其技术原理基于离散堆叠的概念，利用高能光束（激光或电子束）熔化金属粉末（例如选择性激光熔化（SLM）或金属丝（例如电子束熔化（EBM））来逐层形成三维（3D）部件[2]。与传统制造工艺相比，AM在轻量化设计（质量减少20%至50%）、复杂结构的集成制造以及材料利用率提高方面具有显著优势[3]、[4]、[5]。然而，尽管具有这些优势，AM在成型过程中容易产生固有缺陷（如气孔、未熔合（LOF）、球化等），尤其是LOF缺陷[6]、[7]、[8]，这些缺陷会显著降低部件的机械可靠性[9]。这些缺陷作为应力集中源，在循环载荷下引发早期裂纹并加速疲劳失效[10]。研究AM金属材料的疲劳性能对于确保高端设备行业（如航空航天）的结构可靠性至关重要[11]、[12]、[13]。特别是系统地研究在实际服役条件下的裂纹扩展机制，如多轴循环载荷和极端环境条件，可以实现精确的疲劳寿命预测、材料优化和关键部件的失效预防策略，从而推动先进制造领域的创新[14]、[15]、[16]、[17]。

由于AM过程的间歇性，AM中的固有缺陷在尺寸、位置和分布上具有高度分散性。因此，很难建立明确的“缺陷参数-材料性能”映射关系来研究AM中的固有缺陷。为了解决这一挑战，一些学者提出利用AM过程引入已知形状、尺寸和位置的人工缺陷。这种方法可以精确量化缺陷参数，便于研究增材制造金属的机械性能。具体来说，通过控制AM设备的激光开关状态来预先嵌入人工缺陷，在指定的缺陷位置关闭激光以产生具有可控尺寸的LOF缺陷。

虽然目前关于AM材料中人工缺陷的研究为静态机械性能提供了宝贵的见解[18]、[19]、[20]，但关于疲劳性能（尤其是多轴疲劳）的研究仍然有限。此外，相关研究仅针对单轴疲劳性能进行[21]、[22]、[23]、[24]，而实际工程应用中的AM部件由于复杂的几何形状、部件的缺口效应和多方向残余应力，常常经历复杂的载荷条件。即使在单轴载荷条件下，这些因素也会在AM金属的固有缺陷附近诱导局部多轴应力状态[25]、[26]、[27]。现有文献表明，含有LOF缺陷的AM钛合金的静态抗拉强度比无缺陷试样降低了约15%至20%，并且在高循环疲劳载荷下，这些合金的疲劳寿命减少了一个到两个数量级[8]、[28]、[29]。在多轴载荷条件下，缺陷周围的复杂应力状态加剧了局部应力集中并放大了疲劳寿命的分散[30]、[31]。因此，研究AM材料在多轴应力状态下的疲劳性能并建立针对AM缺陷特性的多轴疲劳寿命预测模型尤为重要。

然而，迄今为止还没有相关研究考虑人工缺陷在多轴应力状态（例如拉伸-扭转多轴载荷）下的疲劳行为。同时，TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）合金作为一种接近α相的高温钛合金，因其优异的比强度、耐热性和抗蠕变性而被广泛用于导弹、火箭、飞机和卫星的高温轴承部件[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。近年来，AM TA15钛合金部件已成功应用于新一代高超音速车辆的轻量化制造[38]、[39]、[40]。因此，全面了解TA15合金在多轴疲劳载荷下的AM缺陷-性能关系至关重要。

为了满足上述研究需求，本研究旨在揭示缺陷特性对SLM TA15合金多轴高循环疲劳（MCF）性能的影响，并建立缺陷特性参数和疲劳寿命的定量模型。首先，通过系统的方法预先嵌入可控缺陷，制造了含有人工缺陷的SLM TA15合金试样。使用X射线微计算机断层扫描（μCT）和扫描电子显微镜（SEM）对人工缺陷进行了表征，并分析了它们对SLM TA15合金多轴疲劳寿命和疲劳失效行为的影响。随后，使用有限元（FE）方法分析了代表性试样中人工缺陷周围的热点应力张量和应力集中系数，并结合电子背散射衍射（EBSD）和显微硬度映射，研究了人工缺陷附近的局部塑性状态。最后，基于改进的Murakami公式建立了拉伸-扭转多轴疲劳寿命、载荷参数、缺陷尺寸和缺陷位置之间的关系。这些发现预计将为评估安全关键航空航天应用中的AM部件提供理论基础和基础数据。

材料与SLM参数

如图1所示，TA15钛合金粉末的粒径分布为D10 = 18.4 μm，D50 = 22.7 μm，D90 = 31.5 μm。这些百分位数表示累积分布百分位，其中D10表示10%的颗粒直径小于该值；D50（中位直径）表示细颗粒和粗颗粒的体积比例相等；D90表示90%的颗粒直径小于该值。主要化学成分列在表1中。

人工缺陷特性

含有各种人工缺陷的试样使用μCT进行了扫描，Avizo对这些缺陷的3D重建结果如图6所示。在SLM过程中，设计区域内的人工缺陷周围的金属粉末未受到高能激光扫描，导致它们被包裹在孔隙中。由于人工缺陷内部存在残留粉末，从μCT测量得出的等效直径和球形度并不准确

疲劳寿命预测模型

如前文分析所示，可以得出结论，SLM TA15合金的多轴高循环疲劳裂纹主要从人工缺陷处开始。多轴高循环疲劳寿命受到人工缺陷的尺寸和位置的显著影响。因此，本工作旨在建立一个更准确的多轴疲劳寿命预测模型，考虑等效应力幅值、人工缺陷尺寸、人工缺陷位置和材料

结论

本研究研究了人工缺陷对SLM TA15合金拉伸-扭转多轴疲劳性能的影响。使用μCT分析了缺陷特性（尺寸、位置和形态），并使用SEM分析了断裂形态。此外，使用FE方法评估了应力状态，并使用von Mises等效应力分析了缺陷周围的应力分布

CRediT作者贡献声明

祖群：验证、数据管理。崔玉峰：撰写——原始草稿、调查、正式分析、概念化。程丽金：方法论、概念化。齐新欣：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念化。胡宁：监督、项目管理。余文星：方法论。赵立斌：监督、项目管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

本文描述的研究未使用任何数据。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（12402084和12272120）、中国航空科学基金（2024Z0610Y9001）、天津市自然科学基金（21JCYBJC01040）和河北省自然科学基金（B2023005003、QN2024069和A2023202049）的支持。所有作者感谢无锡Rely-Measure测量技术有限公司的支持。