一种新颖的小冲量蠕变试验方法，用于确定LPBF（激光熔覆）Ti64合金的诺顿蠕变特性

激光粉末床熔融钛合金的小冲孔蠕变测试与有限元逆分析方法研究。摘要：提出通过SPT获取弹塑性参数，结合SPCT数据和有限元逆分析确定LPBF Ti64的Norton蠕变参数，验证与UCT结果一致，为AM材料非破坏性蠕变评估提供新方法。

　　
激光粉末床熔融（LPBF）制造的钛合金Ti-6Al-4V（Ti64）因其轻量化、高强度和耐腐蚀性，在航空航天、医疗植入物等领域应用广泛。然而，LPBF工艺导致的微观结构异质性和各向异性，使得传统单轴蠕变测试（UCT）难以高效评估其长期服役性能。本文提出了一种融合小冲孔测试（SPT）与SPCT数据的新方法，通过逆向有限元分析（FEA）直接确定Norton蠕变参数，为增材制造（AM）材料的耐久性评估提供了标准化解决方案。

### 1. 问题背景与挑战
传统蠕变测试需大尺寸均匀试样，难以评估AM部件中局部微观结构的性能差异。例如，LPBF Ti64的快速凝固特性会形成α'马氏体针状结构，其各向异性（如沿打印方向强度差异）和孔隙率（<0.5%）会显著影响蠕变行为。现有标准（如CWA 15627）通过经验关系将SPCT与UCT数据关联，但未考虑AM材料的微观结构复杂性。直接SPCT测试的蠕变参数提取面临多轴应力状态、局部缺陷和几何约束的干扰，导致传统方法误差较大。

### 2. 新方法的核心创新
#### 2.1 代表性应力-应变方法（SPT）
通过小冲孔测试获取弹塑性参数，将复杂接触应力状态等效为单轴模型。具体步骤包括：
1. **SPT数据解析**：记录不同温度（如400℃）下的力-位移曲线，区分弹性变形、塑性变形和失效阶段。实验发现，SPCT初始应力需通过SPT确定，避免传统方法中因几何约束导致的应力低估。
2. **动态材料参数提取**：采用代表应力-应变模型，将非均匀应力场转化为等效单轴参数。例如，通过调整接触半径（R=1.25mm）和试样厚度（0.5mm），计算初始弹性模量（ET=105GPa）、屈服强度（Sy=706MPa）和应变硬化指数（n=0.1219），这些参数与文献值高度吻合（误差<5%）。

#### 2.2 逆向SPCT分析（FEA耦合优化）
基于有限元模型反推Norton蠕变参数（A=2.35×10?1?，m=5.52），实现从SPCT数据到工程参数的快速转换：
1. **有限元建模**：构建二维SPCT模型，模拟球压头（半径2mm）与试样的接触过程，考虑温度（450℃）和应力（400-600MPa）对材料响应的影响。
2. **参数迭代优化**：使用MATLAB的lsqnonlin函数，通过最小化仿真与实测位移-时间曲线的差异（残差平方和<1%），自动调整Norton参数A和m。例如，400MPa下优化后m=7.20，与UCT结果m=5.52相比，反映SPCT多轴应力状态的修正特性。

### 3. 实验验证与结果分析
#### 3.1 关键性能对比
- **蠕变阶段划分**：SPCT与UCT均显示典型三阶段蠕变（图6c,d）：初级阶段（<50h）应变率下降；次级阶段（50-300h）稳定； tertiary阶段（>300h）加速断裂。
- **参数匹配度**：SPCT反推的A和m与UCT数据在双对数坐标下高度吻合（图10），斜率差<0.1，验证方法可靠性。

#### 3.2 AM材料特性适配
- **微观结构影响**：LPBF Ti64的α'马氏体针状结构（图1）导致局部强度差异。SPCT通过小尺寸试样（0.5mm厚）捕捉这种异质性，而传统UCT需破坏大体积试样。
- **各向异性修正**：研究显示，沿打印方向（B/D）的SPCT蠕变速率比垂直方向高15%-20%，但本文未纳入各向异性分析，未来需扩展三维建模。

### 4. 方法优势与局限性
#### 4.1 突出优势
- **高效性**：SPCT仅需0.5mm厚试样，测试时间缩短70%（常规UCT需48h以上，SPCT仅12-24h）。
- **经济性**：单次SPCT可替代3次以上UCT测试，成本降低约60%。
- **适用性**：适用于内部焊缝、涂层等局部区域，对薄壁结构（厚度<2mm）评估效果显著。

#### 4.2 现存局限
- **初始阶段误差**：SPCT初级阶段因接触刚度变化，需SPT数据辅助校正，否则误差可达15%。
- **几何约束影响**：SPCT试样在 tertiary阶段易发生局部颈缩，导致位移测量偏差（约8%），需改进接触模型。
- **温度范围限制**：现有模型验证温度为450℃，而Ti64在300-600℃区间性能变化显著，需建立温度修正因子。

### 5. 工程应用展望
- **寿命预测**：结合SPCT反推参数，可快速计算AM部件在典型工况（如450℃/500MPa）下的剩余寿命（误差<10%）。
- **工艺优化**：通过SPCT-逆向模型分析微观结构（如针状尺寸、分布），指导激光功率（300W）、扫描速度（1800mm/s）等参数优化。
- **标准制定**：建议将SPCT纳入AM材料蠕变评估标准（如ISO 15614扩展），替代部分UCT测试。

### 6. 总结
本文方法通过SPT-SPCT数据融合与逆向FEA，有效解决了LPBF Ti64蠕变参数提取难题。实验表明，SPCT在450℃下可准确获得与UCT等效的Norton参数（A=2.35×10?1?，m=5.52），误差<5%。该方法为AM材料的耐久性评估提供了新范式，尤其适用于航空发动机叶片、涡轮盘等复杂构件的局部性能检测。后续研究需重点解决各向异性建模和温度适应性优化，以进一步提升工业适用性。