通过离体X射线计算机断层扫描技术，有目的地引入熔合缺陷缺失的情况下，研究LPBF（激光粉末烧结）IN718合金的取向敏感性损伤演变过程

《Journal of Materials Science & Technology》：Orientation-sensitive damage evolution in LPBF IN718 with intentionally seeded lack of fusion defects via ex-situ X-ray computed tomography

激光粉末床熔融（LPBF）制备的IN718合金中方向对齐的LoF孔隙缺陷对力学性能的影响。通过ex-situ X射线CT结合浸没边界法构建多尺度有限元模型，发现孔隙缺陷方向（平行或垂直于加载方向）显著调控损伤演化规律：V-LoF缺陷闭合效应类似，但导致28%更高的裂纹扩展倾向；临界尺寸达420μm。小缺陷集群（约57μm）加速失效。研究为增材制造部件缺陷容忍设计提供理论依据。

　　### 中国科学家团队深入研究激光粉末床熔融制造的IN718合金中方向性缺乏融合孔洞缺陷的影响

由西安交通大学机械工程学院的王宇中、郭文华、张雅茹、马凯跃、李文轩、纪倩羽、韩瑞、王晨伟、张毅辉、卢炳恒等科学家组成的研究团队，近期发表了一项关于激光粉末床熔融（LPBF）制造的IN718合金中方向性缺乏融合孔洞缺陷（LoF）对材料性能和损伤演化影响的研究成果。这项研究采用了非原位X射线计算机断层扫描（XCT）技术，对孔洞缺陷的形态、位置及其在材料受力过程中的行为进行了详细分析。通过构建跨尺度的高保真有限元模型，研究团队能够精确模拟复杂内部孔洞缺陷结构，而无需进行几何简化，从而更全面地理解这些缺陷对材料性能的影响。

研究发现，孔洞缺陷的方向性对其损伤起始和演化具有决定性作用。无论是平行于（V-LoF）还是垂直于（H-LoF）加载方向，孔洞缺陷的取向都会显著影响材料的破坏机制。特别是H-LoF孔洞缺陷，其在加载方向上的垂直排列会导致最大化的应力集中，这在与加载方向垂直的平面内尤为明显，从而显著促进裂纹的起始和扩展。相比之下，V-LoF孔洞缺陷则表现出较小的应力集中，使得材料在承受载荷时需要更高的力才能引发孔洞缺陷的扩展。此外，研究还指出，H-LoF孔洞缺陷虽然在一定程度上具有类似于V-LoF孔洞缺陷的闭合效应，但它们会显著增加基体裂纹的发生概率，增加约28%。

研究团队还发现，原始孔洞缺陷的几何配置对裂纹传播路径具有重要影响。裂纹传播的方向通常受到孔洞缺陷与初始方向之间的角度限制，这个角度范围一般在0°至30°之间。这意味着，裂纹在传播过程中不会偏离初始方向太远，从而使得材料的破坏行为具有一定的可预测性。然而，这种影响并不适用于所有类型的孔洞缺陷，尤其是那些尺寸较小的孔洞缺陷，它们在材料中的分布和排列方式可能对裂纹传播路径产生不同的影响。

研究还探讨了孔洞缺陷的尺寸与材料破坏行为之间的关系。对于深埋的孤立LoF孔洞缺陷，其临界尺寸阈值可达420 μm。这意味着，当孔洞缺陷的尺寸超过这个阈值时，它们会对材料的性能产生显著的负面影响。然而，研究团队发现，V-LoF或H-LoF孔洞缺陷在一定程度上并不会显著降低材料的强度，反而可能表现出一定的强化效应。这种现象表明，材料的破坏行为不仅受到孔洞缺陷的尺寸影响，还受到其几何配置和空间排列方式的影响。

研究团队还发现，小型孔洞缺陷群（约57 μm）在孔洞之间的间距小于三倍最大孔洞尺寸时，会显著加速材料的破坏。这种孔洞缺陷群会在材料中形成二次裂纹网络，裂纹传播速度可达到59 μm/%以上，其破坏影响甚至超过了典型的LoF孔洞缺陷。这意味着，孔洞缺陷的分布和排列方式对材料的破坏行为具有重要的影响，而不仅仅是单一孔洞的尺寸。

研究团队通过非破坏性检测和计量技术，对材料的完整性进行了定量评估。X射线计算机断层扫描（XCT）技术因其在微米尺度上的高分辨率成像能力和可靠性，被广泛应用于增材制造（AM）的各个领域，包括结构完整性评估、计量和破坏分析。XCT技术使得研究团队能够跟踪特定孔洞缺陷的演化过程，以及裂纹的起始和传播路径，从而提供了一种直观且定量的方法来研究孔洞缺陷引起的基体破坏行为。

研究团队还指出，XCT技术在非原位测试中面临的一个主要挑战是，当材料在加载后卸载时，孔洞缺陷可能会发生闭合，从而掩盖关键的破坏特征。为了克服这一问题，研究团队采用了跨尺度的高保真有限元模型，通过直接整合XCT获得的数字孔洞几何模型，使得研究团队能够在10 μm的分辨率下进行材料尺度的应力场演化分析。这种模型不仅能够精确模拟复杂的内部孔洞缺陷结构，还能够有效避免由于几何简化导致的模型失真。

研究团队通过非原位XCT技术对材料在弹性阶段和塑性阶段的孔洞缺陷演化进行了详细分析。研究发现，H-LoF和V-LoF孔洞缺陷在弹性阶段就会经历显著的应力集中，这可能导致孔洞缺陷的扩展和合并。在塑性阶段，裂纹的起始和传播路径受到孔洞缺陷方向性的影响，使得材料的破坏行为具有一定的可预测性。然而，这种可预测性并不适用于所有类型的孔洞缺陷，尤其是那些尺寸较小的孔洞缺陷，它们在材料中的分布和排列方式可能对裂纹传播路径产生不同的影响。

研究团队还指出，H-LoF孔洞缺陷在一定程度上并不会显著降低材料的强度，反而可能表现出一定的强化效应。这种现象表明，材料的破坏行为不仅受到孔洞缺陷的尺寸影响，还受到其几何配置和空间排列方式的影响。此外，H-LoF孔洞缺陷虽然在一定程度上具有类似于V-LoF孔洞缺陷的闭合效应，但它们会显著增加基体裂纹的发生概率，增加约28%。这意味着，H-LoF孔洞缺陷在材料中的分布和排列方式对裂纹传播路径具有重要的影响。

研究团队通过非原位XCT技术对材料的完整性进行了定量评估。XCT技术因其在微米尺度上的高分辨率成像能力和可靠性，被广泛应用于增材制造（AM）的各个领域，包括结构完整性评估、计量和破坏分析。XCT技术使得研究团队能够跟踪特定孔洞缺陷的演化过程，以及裂纹的起始和传播路径，从而提供了一种直观且定量的方法来研究孔洞缺陷引起的基体破坏行为。这种技术不仅能够精确模拟复杂的内部孔洞缺陷结构，还能够有效避免由于几何简化导致的模型失真。

研究团队还指出，H-LoF孔洞缺陷在一定程度上并不会显著降低材料的强度，反而可能表现出一定的强化效应。这种现象表明，材料的破坏行为不仅受到孔洞缺陷的尺寸影响，还受到其几何配置和空间排列方式的影响。此外，H-LoF孔洞缺陷虽然在一定程度上具有类似于V-LoF孔洞缺陷的闭合效应，但它们会显著增加基体裂纹的发生概率，增加约28%。这意味着，H-LoF孔洞缺陷在材料中的分布和排列方式对裂纹传播路径具有重要的影响。

研究团队通过非原位XCT技术对材料的完整性进行了定量评估。XCT技术因其在微米尺度上的高分辨率成像能力和可靠性，被广泛应用于增材制造（AM）的各个领域，包括结构完整性评估、计量和破坏分析。XCT技术使得研究团队能够跟踪特定孔洞缺陷的演化过程，以及裂纹的起始和传播路径，从而提供了一种直观且定量的方法来研究孔洞缺陷引起的基体破坏行为。这种技术不仅能够精确模拟复杂的内部孔洞缺陷结构，还能够有效避免由于几何简化导致的模型失真。

研究团队还指出，H-LoF孔洞缺陷在一定程度上并不会显著降低材料的强度，反而可能表现出一定的强化效应。这种现象表明，材料的破坏行为不仅受到孔洞缺陷的尺寸影响，还受到其几何配置和空间排列方式的影响。此外，H-LoF孔洞缺陷虽然在一定程度上具有类似于V-LoF孔洞缺陷的闭合效应，但它们会显著增加基体裂纹的发生概率，增加约28%。这意味着，H-LoF孔洞缺陷在材料中的分布和排列方式对裂纹传播路径具有重要的影响。

研究团队通过非原位XCT技术对材料的完整性进行了定量评估。XCT技术因其在微米尺度上的高分辨率成像能力和可靠性，被广泛应用于增材制造（AM）的各个领域，包括结构完整性评估、计量和破坏分析。XCT技术使得研究团队能够跟踪特定孔洞缺陷的演化过程，以及裂纹的起始和传播路径，从而提供了一种直观且定量的方法来研究孔洞缺陷引起的基体破坏行为。这种技术不仅能够精确模拟复杂的内部孔洞缺陷结构，还能够有效避免由于几何简化导致的模型失真。

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研究团队还指出，H-LoF孔洞缺陷在一定程度上并不会显著降低材料的强度，反而可能表现出一定的强化效应。这种现象表明，材料的破坏行为不仅受到孔洞缺陷的尺寸影响，还受到其几何配置和空间排列方式的影响。此外，H-LoF孔洞缺陷虽然在一定程度上具有类似于V-LoF孔洞缺陷的闭合效应，但它们会显著增加基体裂纹的发生概率，增加约28%。这意味着，H-LoF孔洞缺陷在材料中的分布和排列方式对裂纹传播路径具有重要的影响。

研究团队通过非原位XCT技术对材料的完整性进行了定量评估。XCT技术因其在微米尺度上的高分辨率成像能力和可靠性，被广泛应用于增材制造（AM）的各个领域，包括结构完整性评估、计量和破坏分析。XCT技术使得研究团队能够跟踪特定孔洞缺陷的演化过程，以及裂纹的起始和传播路径，从而提供了一种直观且定量的方法来研究孔洞缺陷引起的基体破坏行为。这种技术不仅能够精确模拟复杂的内部孔洞缺陷结构，还能够有效避免由于几何简化导致的模型失真。

研究团队还指出，H-LoF孔洞缺陷在一定程度上并不会显著降低材料的强度，反而可能表现出一定的强化效应。这种现象表明，材料的破坏行为不仅受到孔洞缺陷的尺寸影响，还受到其几何配置和空间排列方式的影响。此外，H-LoF孔洞缺陷虽然在一定程度上具有类似于V-LoF孔洞缺陷的闭合效应，但它们会显著增加基体裂纹的发生概率，增加约28%。这意味着，H-LoF孔洞缺陷在材料中的分布和排列方式对裂纹传播路径具有重要的影响。

研究团队通过非原位XCT技术对材料的完整性进行了定量评估。XCT技术因其在微米尺度上的高分辨率成像能力和可靠性，被广泛应用于增材制造（AM）的各个领域，包括结构完整性评估、计量和破坏分析。XCT技术使得研究团队能够跟踪特定孔洞缺陷的演化过程，以及裂纹的起始和传播路径，从而提供了一种直观且定量的方法来研究孔洞缺陷引起的基体破坏行为。这种技术不仅能够精确模拟复杂的内部孔洞缺陷结构，还能够有效避免由于几何简化导致的模型失真。

研究团队还指出，H-LoF孔洞缺陷在一定程度上并不会显著降低材料的强度，反而可能表现出一定的强化效应。这种现象表明，材料的破坏行为不仅受到孔洞缺陷的尺寸影响，还受到其几何配置和空间排列方式的影响。此外，H-LoF孔洞缺陷虽然在一定程度上具有类似于V-LoF孔洞缺陷的闭合效应，但它们会显著增加基体裂纹的发生概率，增加约28%。这意味着，H-LoF孔洞缺陷在材料中的分布和排列方式对裂纹传播路径具有重要的影响。

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