顶刊综述《PMS》IF=31.56：增材制造金属缺陷

导读：近日，美国托莱多大学机械、工业和制造工程学系AliFatemi教授在国际顶级材料综述期刊Progress in Materials Science上（IF=31.56）发表金属增材制造缺陷及其与疲劳相关的综述，论文题目Defects in additive manufactured metals and their effect on fatigue performance: A state-of-the-art review。本综述回顾了有关影响AM零件疲劳性能的微观结构，重点是产生的缺陷，以及工艺参数和后处理对缺陷的影响，和因此而引起的疲劳性能。 该综述还包括文献中提出的基于缺陷的，对微观结构敏感的多尺度模型，用于对缺陷对疲劳性能的影响进行建模，并为需要进行的其他研究提供了前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100724

增材制造（AM）是一种方法，通过该方法可以通过增材制造工艺来创建零件，而传统的减材工艺则与此相反。这些技术首先针对快速原型设计以辅助设计过程。随着更先进技术的出现，所制造零件的性能得以改善，可以满足各种工业用途的期望。这些工艺目前可以利用金属、陶瓷、生物工程组织和各种聚合物作为原料。

与传统制造的零件相比，AM零件显示出更精细的微观结构，这导致相对较好的静态强度。另外，由于缺陷在静态载荷下的影响不大，而在循环载荷下的影响较小，因此零件通常满足工业用拉伸性能的标准和规范。另一方面，金属AM疲劳性能受缺陷存在的影响很大。需要进行全面研究以研究AM缺陷的特性以及在动态载荷条件下包含缺陷的AM组件的运行。为了达到所需的可靠性水平，可能需要在类似于工作条件的环境中进行高成本的全面测试。

然而，金属AM零件包含多种缺陷，例如在焊缝中也有熔合不足（LOF）缺陷，粉末冶金中有未熔颗粒和在铸件中检测到的气孔。在制造过程中，金属AM零件中累积的残余应力也可能会引起裂纹，并导致变形。由于疲劳裂纹通常始于应力集中，例如孔隙和夹杂物，因此这些缺陷对AM组件的疲劳寿命有重要影响，并且是造成次要疲劳的关键因素金属AM零件与锻造零件的性能。这些缺陷还会促进局部腐蚀攻击，从而刺激疲劳裂纹。

加工和后加工策略通过改变微观结构和缺陷，进而影响材料对现有缺陷的敏感性，从而影响金属增材制造零件的疲劳性能。应优化AM过程以改善AM零件的疲劳性能。旨在改善疲劳性能的主要属性是残余应力，表面粗糙度，内部缺陷和微观结构。即使在一个具有复杂几何形状的大型组件中，最终的微观结构和缺陷含量的变化也可能会出现，这主要是由于过程中不同位置的温度梯度变化和传热参数所致。因此，对于金属增材制造零件，仍然可能需要进行后处理以消除拉伸残余应力，实现均匀的微观结构和缺陷含量，以及疲劳性能所需的可靠性。

图1。根据累积和能量输入方法对金属增材制造的不同过程进行分类的流程图。

图2。AM Ti-6Al-4V合金中的缺陷及其作为疲劳裂纹的存在的例子：（a）夹带气体引起的接近圆形孔，（b）圆形气体孔引起的疲劳裂纹，（c） SLM Ti-6Al-4V中的钥匙孔，（d）SLM Ti-6Al-4V中的焊缝，（e）和（f）LOF缺陷，这是由于未熔化的粉末颗粒固结不足引起的颗粒，（g）LOF缺陷引起的疲劳裂纹萌生，（h）SLM Ti-6Al-4V样品中的不一致和成球现象，（i）和（j）α相引起的疲劳裂纹萌生。

图3。SLM工艺参数对总孔隙率（2D和3D测量）的影响取决于（a）扫描速度v，（b）舱口距离h，（c）激光功率P和（d）聚焦距离F。

图4。三种不同能量密度的缺陷的2D和3D表示。第一行中的2D图代表与平行于构建方向或垂直于层的制造样品的抛光截面。

图5。（a）粉末的初始气体含量是PBF金属AM中形成孔隙的重要来源，（b）改变束的功率和速度可以改变零件中缺陷的类型和密度，（c）各种层厚度和阴影线间距值可以创建不同的缺陷结构。

图6。（a）L-PBF Inconel 718标本在表面状态[101]时的表面轮廓和相关的表示参数，（b）Ti-6Al-4V AM250构建表面的抛光截面的近表面区域使用Keyence VHX-6000数字显微镜捕获的样品，（c）EBM Ti-6Al-4V零件的粗糙表面的SEM图，以及（d）同步辐射显微成像，分辨率为1.5μm从L-PBF Ti-6Al-4V零件的表面开始。

图7。（a）SEM图和孔中未熔融粉末的图示，（b）未熔融粉末对CT孔检测的影响

图8。12mm×10mm表面积的2D分析和1000μm3 vol的3D分析以及SLM Ti-6Al-4V样品的孔隙率对200 W激光功率的扫描速度和光斑尺寸的依赖性，保持其他参数不变：2D结果（a，b）和3D结果（c，d）。

图9。不规则形状的缺陷的有效尺寸（虚线）：（a）不规则形状的内部缺陷，（b）不规则形状的表面缺陷，（c）与表面相互作用的不规则形状的内部缺陷，（d）与相邻的两个缺陷相互作用，（e）与表面接触的倾斜缺陷。

图10。（a）在SLM 316 L样品中发现的缺陷的形状因数（球形）分布，（b）使用Ti-6Al-4V软件从微CT结果中收集的缺陷的纵横比（AR）与球形度可视化AM250和M290退火样品。

图11。（a）从EBM Ti-6Al-4V沉积样品中获得的μCT数据的缺陷直径分布。给出了样品高度各部分的数据，（b）SLM Ti-6Al-4V样品，其中横截面被划分的环形区域。通过整理几张光学显微照片获得图像，（c）比较金相检验和CT扫描在不同条件下对SLM Ti-6Al-4V样品测得的孔隙率。

图12。考虑到体积V g，将采样策略应用于CT扫描：（a）为块最大值采样定义的子体积，（b）可视化POT样品中超出的位置和体积

图13。对于L-PBF Ti-6Al-4V，在几种应力水平下，疲劳寿命与测得的R a的平方根之间的相关性：（a）R= -1载荷，（b）R = 0.1载荷。

图14。孔径对EBM Ti-6Al-4V疲劳寿命的影响。SN曲线仅显示那些因孔隙而失效的样品。的大小和标记的颜色指示的大小孔隙可以通过面积√A的平方根给出Ñ从断裂面的SEM图测定

图15。具有不同构造方向的锻造和L-PBF HIP Ti-6Al-4V机械加工的表面管状样品的全反向轴向疲劳试验的叠加结果

图16。PBF Ti-6Al-4V在300 MPa应力振幅下的疲劳寿命与平均关键缺陷尺寸之间的关系。（a）R = -1载荷，实体数据点来自旋转弯曲配合，（b）R = 0.1载荷

图17。在同相轴向扭转载荷下，在机加工表面退火试样上的内部裂纹合并的代表，（a）试样自由表面显示了裂纹路径，（b）试样断裂表面显示了裂纹路径中大缺陷的贡献和合并。