激光粉末床熔融316L不锈钢的疲劳性能优化：热等静压-表面加工-喷丸强化序贯处理研究

本研究针对激光粉末床熔融(LPBF)成形的316L不锈钢件疲劳性能不足问题，提出热等静压(HIP)联合表面加工与喷丸强化的序贯处理方案。通过疲劳测试与断口分析证实，该方案能有效将裂纹萌生位点由表面转移至次表层，显著提升疲劳寿命，为增材制造金属后处理工艺优化提供重要参考。

　　

在金属增材制造领域，激光粉末床熔融(LPBF)技术虽能实现复杂构件的高精度成形，但制件表面粗糙度、未熔合缺陷等问题导致其疲劳性能远低于传统锻件。316L不锈钢作为生物医疗和航空航天领域的关键材料，其LPBF成形件的疲劳性能提升成为制约技术应用的瓶颈。尽管热等静压(HIP)能消除内部孔隙，但会消除有益残余应力；表面加工可改善粗糙度却无法引入压应力；喷丸强化(Shot Peening)虽能产生表面强化层，但单独使用效果有限。如何通过多工艺协同作用实现疲劳性能的阶梯式提升，成为新加坡南洋理工大学研究人员亟待解决的科学问题。

研究团队采用两种序贯后处理路线：路线1（HIP+表面加工）和路线2（HIP+表面加工+喷丸强化），通过应力-寿命(S-N)曲线测试、表面形貌分析和断口显微观察等手段系统评估处理效果。关键发现显示，路线2处理的试样在10⁷次循环下的疲劳极限较路线1提升15%，且裂纹萌生位点从表面转移至次表层50-100μm深度区域。表面轮廓测量证实喷丸处理引入的塑性变形深度达200μm，形成的纳米晶层和残余压应力场共同抑制了表面裂纹萌生。

主要技术方法
采用EOS M290设备制备LPBF成形试样，设置层厚30μm、激光功率370W。HIP处理在100MPa氩气环境、1120℃下保持4小时。表面加工采用精密车削达到Ra<0.8μm。喷丸使用铸钢丸（直径0.3mm），覆盖率200%。疲劳测试按ASTM E466标准在20kHz高频试验机进行。

研究结果
Preparation of Test Specimens
通过设计两种处理路线，明确对比基础处理与强化处理的差异。金相分析显示HIP使孔隙率从0.12%降至0.01%，但晶粒尺寸增大30%。

Fatigue Test Results
S-N曲线表明路线2的疲劳寿命在500MPa应力水平下较路线1延长3倍。断口扫描电镜(SEM)显示路线2试样次表层存在典型的鱼眼状裂纹源，周围环绕细密疲劳辉纹。

Conclusions
序贯处理通过HIP消除内部缺陷、表面加工降低应力集中、喷丸引入压应力的协同作用，实现疲劳性能的层级优化。该研究为LPBF金属构件后处理工艺链设计提供范式参考。

意义讨论
该成果首次系统验证了HIP-机加工-喷丸的协同强化机制，突破传统后处理工艺的单一作用局限。研究揭示的次表层裂纹萌生机制，为建立基于裂纹萌生位点控制的疲劳寿命预测模型奠定基础。发表于《Journal of Alloys and Compounds Communications》的这项工作，对航空航天关键承力件的可靠性提升具有重要工程价值。