PBF-LB/M 316L不锈钢在低周疲劳性能和可靠性方面的各向异性

本研究系统探究了激光粉末床融合（PBF-LB/M）316L不锈钢在高温低周疲劳（LCF）中的各向异性特性，包括微观结构、力学响应、疲劳性能及可靠性评估。通过显微表征、纳米压痕、拉伸试验和应变控制LCF试验（550°C，应变幅0.3%-1.0%），发现各向异性主要由<110>||BD纹理及熔池缺陷分布差异引起。水平取向试样LCF可靠性优于垂直取向，但均低于传统316L。随着应变幅增加，各向异性差异和材料与传统316L的可靠性差距均减小。

　　

陈叶峰|龚成|毛安瑶|潘凌峰|郑晓涛|刘哲|彭亚伟|王晓伟|龚建明|亚历山大·科赫|弗兰克·瓦尔特

中国武汉理工大学机械与电气工程学院绿色化学设备湖北省工程技术研究中心，武汉430000

摘要

金属粉末床熔融-激光束（PBF-LB/M）316L不锈钢表现出各向异性的机械性能，这对承受高温低周疲劳（LCF）的核部件至关重要。本研究通过微观结构表征、纳米压痕试验、拉伸试验以及应变控制下的LCF试验（550°C，0.3%–1.0%应变幅度），系统地研究了微观结构、机械响应、LCF性能和疲劳可靠性方面的各向异性。熔池、晶粒形态以及未熔合缺陷均表现出明显的各向异性特征。PBF-LB/M 316L的拉伸性能和LCF性能的各向异性主要归因于<110>||BD织构以及未熔合缺陷的投影面积差异。不同取向的PBF-LB/M 316L的高可靠性LCF性能（N_95%）与传统316L进行了比较，结果排序为：传统316L > 水平PBF-LB/M 316L > 垂直PBF-LB/M 316L。随着应变幅度的增加，PBF-LB/M 316L的疲劳可靠性各向异性以及PBF-LB/M与传统316L之间的差异逐渐减小。

引言

增材制造（AM）技术已经发展成为一种成熟的加工技术。作为传统固化成型和减材制造技术的有效补充，它已在航空航天、医疗和汽车等领域得到成功应用[1]。与聚合物和生物材料AM技术相比，金属AM在制造结构部件方面具有更大的潜力。在金属AM技术中，PBF-LB/M具有显著的优势，包括高速度、高精度、低粗糙度和低孔隙率。

随着PBF-LB/M技术的进步，它逐渐被应用于关键部件的制造。最近，PBF-LB/M已被用于制造核电站中的换热器和反应堆部件[2, 3]。这些部件通常暴露在高温（300–600°C）下，并受到由温度波动和电站启停循环引起的LCF载荷的影响。因此，在高温LCF载荷下的结构完整性至关重要。在核电站中，316L不锈钢因其良好的高温拉伸性能、蠕变强度、耐腐蚀性和抗辐照损伤能力而成为主要的结构材料。因此，PBF-LB/M 316L在核部件领域具有巨大潜力。鉴于LCF载荷条件，对PBF-LB/M 316L的疲劳和可靠性进行评估对其更广泛的应用至关重要。

与传统316L的循环硬化行为不同，PBF-LB/M 316L表现出独特的循环软化现象。我们之前的研究[4]将循环软化与胞状结构的粗化、低角度晶界（LAGBs）的减少、位错湮灭以及织构演变联系起来，其中织构演变起主导作用。Yu等人[5]认为，在高密度胞状边界处位错的解离也是导致循环软化的因素之一。此外，Cui等人[6]发现胞状边界能有效阻止相邻胞状结构之间的位错运动，从而提高LCF性能。然而，Marco等人[7]发现表面附近的未熔合缺陷会导致过早的LCF失效。PBF-LB/M 316L中的表面缺陷还会通过提供大量的疲劳裂纹起始点而显著降低LCF性能[8]。热处理，如固溶处理，可以通过促进孪晶形成和细化晶粒尺寸来降低裂纹生长速率并提高PBF-LB/M 316L的LCF性能[9]。

此外，PBF-LB/M 316L还表现出明显的各向异性特征。PBF-LB/M工艺的特点是“逐层”粉末沉积和“逐轨迹”激光扫描，导致微观结构各向异性，包括熔池（MPs）、柱状晶粒、内部缺陷和织构。拉伸性能受到柱状晶粒及相关织构的显著影响，表现出明显的各向异性[10]。800°C以上的热处理可以通过促进晶粒再结晶和MPs湮灭来消除拉伸性能的各向异性[11]。然而，这也会消除微观结构的强化特征，如胞状亚结构、LAGBs和高密度位错。此外，Wang等人[12,13]利用PBF-LB/M的织构形成机制制备了高度各向异性的“单晶”材料，并系统地解释了拉伸性能各向异性的起源。

拉伸性能的差异决定了PBF-LB/M 316L的各向异性疲劳承载能力。通常，在低应变（或应力）幅度下，高强度取向的性能优于低强度取向[14]。当考虑缺陷诱导的裂纹起始和微观结构影响的裂纹扩展时，疲劳性能的各向异性变得复杂。Beard等人[8]发现，45°取向样品的建成表面更为粗糙，有效应力集中系数大于90°取向样品，从而导致疲劳寿命的显著各向异性。在疲劳裂纹扩展过程中，由于柱状晶粒的阻碍作用，水平路径的应力强度阈值高于垂直路径[15]。此外，由于随机缺陷的存在，PBF-LB/M 316L的疲劳性能分散程度通常大于传统316L。疲劳寿命的可靠性分析是评估疲劳寿命分散性和确定安全边界的重要方法。鉴于PBF-LB/M 316L的LCF寿命数据集通常较小，依赖大规模数据集的传统可靠性评估方法不适用。我们之前的研究[16]提出了一种新的疲劳可靠性评估方法，用于计算各向异性疲劳可靠性。

本研究重点关注LCF性能的各向异性以及PBF-LB/M 316L的可靠性。首先，利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）揭示了微观结构的各向异性，这些与独特的晶粒生长机制密切相关。其次，对垂直和水平样品进行了拉伸试验和纳米压痕试验。由于织构和内部缺陷的共同作用，水平样品的强度和伸长率高于垂直样品。第三，通过在不同应变幅度下进行LCF试验及相关疲劳行为研究，以确定各向异性特征。通过分析裂纹机制、断裂形态和缺陷效应，阐明了LCF各向异性的原因。第四，采用基于Weibull分布模型的新方法来估算P–ε–N曲线，首先引入了龙卷风优化算法来计算特征参数的值。最后，评估了不同取向PBF-LB/M 316L样品的LCF可靠性，并与传统316L进行了比较。

章节片段

样品制备

使用SLM 125HL金属打印机（SLM Solutions，德国）制造样品，详细的商业工艺参数见补充信息。表1显示了粉末和建成后的PBF-LB/M 316L的化学成分。如图1(a)所示，根据这些工艺参数打印出了不同取向的样品块。通过阿基米德法测得的相对密度超过99.3%，符合ASTM F3184-16标准。在疲劳试验之前，

建成后的PBF-LB/M 316L的微观结构

高速激光扫描过程中的快速熔化-凝固过程在建成后的PBF-LB/M 316L中产生了分层的微观结构[17]。在我们之前的研究[19]中，从毫米到纳米尺度观察到的特征包括逐轨迹/逐层图案、鱼鳞状熔池（MPs）、柱状晶粒、小晶粒、缺陷、LAGBs、胞状亚结构、高密度位错和纳米氧化物颗粒。某些特征太小，不足以影响宏观机械各向异性。

结论

本研究重点关注PBF-LB/M 316L的拉伸性能、LCF性能和可靠性方面的各向异性。对建成后的PBF-LB/M 316L进行了显微硬度、拉伸和LCF试验，以研究机械响应的各向异性。同时，应用了OM、EBSD和SEM等不同的微观表征方法来研究微观结构、缺陷和裂纹行为的各向异性。通过计算

CRediT作者贡献声明

陈叶峰：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿的撰写，概念构思。龚成：正式分析，数据整理。毛安瑶：方法论。潘凌峰：研究工作。郑晓涛：监督，资金获取。刘哲：撰写 – 审稿与编辑。彭亚伟：撰写 – 审稿与编辑。王晓伟：撰写 – 审稿与编辑。龚建明：撰写 – 审稿与编辑。亚历山大·科赫：撰写 – 审稿与编辑。弗兰克·瓦尔特：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（资助编号52275159）和湖北省杰出青年科学基金（资助编号2022CFA059）的财政支持。陈叶峰感谢 Dortmund工业大学WPT的学术访问。