综述：环境依赖性金属增材制造超高周疲劳：一个关键的新兴范式

《Review of Palaeobotany and Palynology》：Environment-Dependent Very High Cycle Fatigue in Metal Additive Manufacturing: A Critical and Emerging Paradigm

本综述系统评述了金属增材制造（AM）在极端环境（高温、低温、腐蚀介质）下的超高周疲劳（VHCF）行为，重点探讨了AM特有缺陷（如未熔合、气孔）与环境因素（氧化、氢脆）的交互作用机制。文章综合了超声疲劳测试（USF）、晶体塑性有限元（CP-FEM）和人工智能（AI/ML）等前沿技术，揭示了VHCF区域（>107次循环）损伤演化的物理本质，为航空航天、能源装备等关键领域AM构件长寿命设计提供理论支撑。

　　

环境依赖性金属增材制造超高周疲劳的机制与挑战

金属增材制造（AM）技术正在重塑高性能构件的设计与制造范式，然而其超高周疲劳（VHCF）行为在极端环境下的可靠性仍是制约其工程化应用的核心瓶颈。当循环载荷超过10⁷次时，疲劳损伤机制从裂纹扩展主导转变为裂纹萌生主导，这一过程在高温、低温或腐蚀环境中尤为复杂。

AM特有缺陷与VHCF的交互作用

AM构件内部不可避免地存在未熔合（LOF）、气孔、夹杂等体积型缺陷，这些缺陷在低应力振幅的VHCF区域成为裂纹萌生的主要策源地。当表面经过精密加工抑制表面起裂后，内部缺陷的应力集中效应更为凸显。环境因素的引入（如高温氧化、腐蚀介质渗透）会与缺陷产生非线性耦合，例如腐蚀坑与皮下孔隙的连通会急剧加速裂纹萌生。

高温VHCF：时间-温度-疲劳的耦合效应

在高温环境下，超声疲劳（USF）测试中20kHz的高频加载与伺服液压测试（20Hz）表现出显著差异。USF的低应力振幅难以破坏表面氧化膜，促使裂纹从内部缺陷萌生；而伺服液压测试的高应力振幅易使氧化膜破裂，导致表面起裂。晶体塑性有限元（CP-FEM）模拟表明，熔池边界和位错富集区在热梯度下更易成为疲劳热点。

低温VHCF：位错饥饿与脆性转变

低温（<123K）环境下材料屈服强度升高，但位错运动受限导致局部塑性协调能力下降。位错饥饿现象使AM内部缺陷周围应力集中难以释放，裂纹萌生从表面转向内部，且呈现更高随机性。尽管低温下腐蚀作用减弱，但缺陷敏感性的增加可能使疲劳寿命预测偏离室温经验模型。

腐蚀疲劳：表面化学与力学协同损伤

在海水或酸性环境中，AM构件的高表面粗糙度与化学非均匀性加速点蚀坑的形成。VHCF的长周期特性为蚀坑成熟提供了充足时间，点蚀与表面连通缺陷的耦合会引发裂纹早期萌生。值得注意的是，即使20kHz的超声频率下，腐蚀与疲劳的协同作用仍不可忽视，总载荷反转次数（2N_f）而非暴露时间是控制裂纹萌生的关键参数。

CP-FEM与人工智能的融合预测框架

为突破传统疲劳模型的局限，晶体塑性有限元（CP-FEM）与机器学习（ML）结合的混合数字孪生框架应运而生。CP-FEM通过模拟局部塑性应变累积和缺陷周围应力分布，生成疲劳指示参数（FIPs）；ML算法则利用实验数据和CP-FEM结果训练预测模型，实现VHCF寿命的快速评估。这种物理机制与数据驱动相结合的方法，为AM构件在多变环境下的寿命预测提供了新范式。

未来展望：环境自适应AM构件设计

下一步研究需开发多环境耦合的VHCF测试平台，建立涵盖缺陷演化、环境损伤动力学的预测模型。通过热等静压（HIP）、激光重熔等后处理工艺优化缺陷形态，并结合实时监测技术构建AM构件的全生命周期管理系统，最终实现航空航天、海洋工程等极端环境下AM构件的可靠应用。