钛合金疲劳性能研究新突破将更好指导生产

    由于工业应用领域的需求，3D打印材料的疲劳性能（尤其是超高周疲劳性能）和相应的疲劳机理成为增材制造研究领域亟待解决的科学问题之一。

    在《EOS如何提高材料的疲劳性能》一文中，我们介绍了EOS通过优化的打印工艺配合热等静压来提高钛合金疲劳性能，而中科院力学所近期连发两篇论文不仅给出了增材制造零件特殊的疲劳机理，还从设计和制造两方面提出了提高疲劳性能的建议。本期，3D打印技术参考来介绍该研究的主要内容。

    中国科学院力学研究所金属材料微结构与力学性能课题组近期在增材制造钛合金(Ti-6Al-4V)疲劳特性上开展了系列研究工作。课题组对增材制造钛合金进行了疲劳性能测试，获得了材料高周及超高周疲劳性能。通过对疲劳断口观察，报道了增材制造钛合金高周及超高周疲劳裂纹均萌生于材料内部孔洞及未融合缺陷(与打印方向无关)，并形成“鱼眼状”断口形貌的新现象。这和传统锻造金属材料的疲劳特征与裂纹萌生机理大不相同。

    根据裂纹源尺寸的分布特征，构建了疲劳性能与裂纹尺寸之间的统计关联。基于材料疲劳寿命数据和疲劳裂纹缺陷尺寸，进行了概率统计分析，得到该材料的高周、超高周疲劳失效概率与疲劳寿命、外加载荷的关系。此外，为进一步探索疲劳裂纹扩展特性，课题组利用原位疲劳加载装置，获得了不同温度下、不同制备取向的Ti-6Al-4V裂扩展速率，揭示了不同取向增材制造钛合金疲劳裂纹扩展的机制。

 主要结论

1. 发现材料的疲劳性能与打印方向有关，水平打印试样的疲劳性能优于倾斜45度和垂直打印的试样，后者相比水平样品有更多和更大的缺陷和未熔颗粒。

2. SLM过程中形成的缺陷会影响裂纹的扩展行为，局部结构如缺陷和夹杂的不均匀性改变了裂纹扩展路径，降低了裂纹扩展速率。

3. SLM制备的Ti-6Al-4V试样的裂纹扩展速率随温度的升高而增大。高温下裂纹扩展过程中会产生大量二次裂纹。二次裂纹的分支释放了裂纹尖端的能量，从而减缓了裂纹的扩展。

采用SLM制造的复杂结构零件经常受到循环载荷的作用，疲劳强度是工程应用的一个基本特性。基于以上发现，为了提高零件的疲劳强度，首先要用有限元法进行力学分析，找出结构中的薄弱点，然后根据本研究的结论，选择有利于薄弱位置的打印方向，那么整个复杂零件的疲劳强度都会得到提高。

本项研究的结果为从构建方向的角度设计结构提供了一个方案，在更深入的研究中，还会涉及到结构设计优化的问题，这需要进一步的精确研究。