SLM GH4169 的高周疲劳与统一寿命预测

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：High-cycle fatigue and unified life prediction of SLM GH4169

　　

•量化了SLM GH4169晶面引发的高周疲劳（HCF）中的双尺度晶粒尺寸效应。
•阐明了650°C下应力依赖的两阶段环境切换行为。
•改进的TM-Z模型统一了缺陷驱动和滑移带驱动的裂纹萌生机制。
•留一条件法盲测试交叉验证：77%的疲劳寿命在两倍系数范围内。
•仅基于寿命校准的通道权重能够重现断口分析中的裂纹萌生模式。

引言

GH4169是一种镍基高温合金，在航空航天、核能和能源领域的高温高应力应用中至关重要，主要归功于其在高温下卓越的强度、蠕变抗力和耐腐蚀性能[1,2]。增材制造（AM）技术，特别是选择性激光熔化（SLM）的出现，彻底改变了零部件的制造方式，提供了前所未有的设计自由度、材料利用率，并能够生产复杂几何形状的部件[[3], [4], [5]]。然而，AM工艺通常会引入独特的微观结构特征，如各向异性晶粒结构、晶体学织构、显著残余应力以及固有的工艺诱发缺陷（例如，孔隙、未熔合缺陷、未融合颗粒）[[6], [7], [8], [9], [10]]。这些特征往往导致力学性能与常规制造方法的产品显著不同，其中疲劳抗力，特别是高周疲劳（HCF），对AM部件在动态载荷下的结构完整性和使用寿命至关重要[11,12]。

近期研究表明，PBF-LB材料中的晶体学织构可以作为设计变量，用于预测增强强度的构建方向，或通过织构控制提高部件刚度[13,14]。这一能力凸显了阐明SLM GH4169中取向依赖的疲劳机制的迫切需求。从力学科学的角度来看，SLM GH4169的HCF行为受固有微观结构特征和外源性制造缺陷的协同作用控制[[15], [16], [17]]。例如，Toursangsaraki等人[18]揭示，沿横向加载在晶界和滑移带处引起的局部塑性滑移和几何必需位错密度高于沿构建方向加载，从而加剧了位错强化和各向异性拉伸行为。Liu等人[19]发现，在650°C下，沿构建方向的柱状晶SLM GH4169晶粒的疲劳寿命长于横向取向的等轴晶。Luo等人[20]阐明，SLM GH4169中的?001?纤维织构主导了晶格应变分配，而位错结构和γ″析出物的演化则控制了微观应力-应变重新分布。Kuang等人[21]揭示，SLM GH4169的疲劳各向异性源于晶粒形貌引起的滑移行为差异，在横向载荷下，裂纹优先在高角度晶界和三相交界处萌生。Zhan等人[8]验证，SLM GH4169中的柱状晶粒形貌和晶界密度分布在加工过程中从根本上控制了位错运动和剪切带传播的难易程度，从而建立了微观结构-加工-力学之间的关联。这些研究强调，AM合金的疲劳抗力并非一个独立的性质，而是晶粒尺度取向偏差与位错塞积松弛之间竞争相互作用产生的涌现结果。

同时，晶粒尺寸、晶界特征和析出物分布显著决定了疲劳裂纹萌生机制[22]。Lam等人[23]综述了SLM GH4169薄壁中的微观结构和缺陷演化，指出Laves相网络和凝固孔洞与γ基体相互作用，产生局部应变梯度，从而促进早期疲劳损伤。Guo等人[24]证明，析出物的类型直接决定了局部塑性应变分布模式，在微观尺度上区分了单滑移主导和多滑移主导的变形。Yu等人[25]发现，980°C固溶处理保留了SLM GH4169的子晶结构，与1100°C完全再结晶微观结构相比，在650°C下具有更优越的微动疲劳性能。Sun等人[26]证明，固溶和时效处理析出δ、γ′和γ″相，提高了疲劳抗力。Yang等人[27]表明，GH4169在650°C下的δ相团簇引起蠕变主导的裂纹偏转，团簇取向决定了裂纹扩展方向。Zhang等人[28]报告，孪晶诱发的动态再结晶和Σ3晶界稳定性决定了650°C下的疲劳寿命。这些见解强调了晶粒形貌、位错分布和析出物类型是控制应变局部化和损伤萌生的主要动力学变量。

表面完整性构成了调节疲劳裂纹萌生位置的另一个关键力学因素[[29], [30], [31]]。表面缺陷主导与固有晶体塑性之间的竞争决定了失效是起源于表面粗糙度还是亚表面微观结构薄弱点[2,29,32]。Romanelli等人[25]开发了一种基于临界距离理论的统计方法，量化了表面粗糙度和内部孔洞对SLM GH4169疲劳极限的耦合弱化效应，证明这两类缺陷群体呈非线性相互作用。Li等人[33]报告，多维超声波辅助带式磨削可将GH4169的疲劳寿命提高多达127.20%，并将疲劳性能各向异性比从48.76%改善至69.43%。相反，Mansoz等人[31]警告，某些表面处理可能无意中暴露亚表面缺陷，将此前良性的内部裂纹转化为加速疲劳失效的临界表面缺陷。Lu等人[34,35]观察到，抛光不仅促进了几何精度，还诱导了不同的残余应力层和微观结构畸变，从而对疲劳性能产生双重效应：压缩残余应力有益，而加工硬化和缺陷生成则有害。这些发现表明，表面处理不能被视为纯粹的几何操作；相反，它是一个重新定义表面与内部裂纹萌生之间空间竞争的机制过程。

当AM GH4169部件在高温下工作时，氧化、蠕变和热激活微观结构演化驱动的疲劳失效机制发生了显著转变[2,11,36,37]。Wang等人[38]观察到，在500-650°C下经历极高周疲劳的GH4169中，主导裂纹萌生机制从室温下的孪晶界主导失效转变为高温下的非金属夹杂物主导失效。Barto?ák等人[31]证实，GH4169在650°C下低周疲劳时表现出氧化辅助的沿晶开裂，氧化损伤占总疲劳退化的相当大比例。Zhang等人[39]揭示，应变诱导的空洞萌生控制了GH4169在650°C下的损伤演化。Shen等人[40]指出，650°C下氧化物的形成优先在晶界处萌生裂纹，裂纹轨迹受晶界特征和局部Schmid因子强烈影响。Fan等人[41]揭示，GH4169在650°C下表现出应变率敏感的疲劳阶段。Liu等人[42]表明，在真空条件下650°C的GH4169中，孪晶界（TBs）主导疲劳裂纹萌生，裂纹扩展通过TB-穿晶裂纹连接进行。该机制与室温行为平行，但强烈依赖于取向。这些多物理场相互作用在当前HCF寿命模型中造成了显著的预测空白[43]。因此，准确预测复杂服役条件下的疲劳寿命需要建立微观结构演化与宏观力学响应之间的稳健关联。

AM合金HCF寿命的预测建模已沿两个主要方向演进：基于断裂力学的缺陷模型和微观结构敏感的疲劳萌生模型[[44], [45], [46]]。经典的Tanaka-Mura（TM）理论及其衍生理论提供了晶体塑性与疲劳寿命之间物理基础上的联系[47,48]。 However，TM模型通常忽略了制造缺陷的外在影响，而Z参数等基于缺陷的指标则缺乏位错介导塑性的固有物理基础[49]。

为了弥合这一差距，He等人[50]开发了一种双尺度晶体塑性框架，结合Tanaka-Mura-Wu模型，通过量化缺陷形状和晶粒取向的影响，成功预测了带缺口铸造/锻造GH4169的低周疲劳寿命。He等人[51]进一步扩展了这一方法，将晶体塑性快速傅里叶变换模拟与疲劳指标参数的Gumbel统计相结合，实现了对GH4169中带缺口部件疲劳寿命和尺寸效应的预测。Shi等人[52]将晶体塑性有限元建模与热力学熵产理论相结合，预测了不同热处理状态下SLM GH4169的疲劳寿命，展示了能量判据在AM合金中的潜力。Dong等人[53]提出了一种基于物理的循环跳跃方法，嵌入晶体塑性损伤模型中，以模拟多晶高温合金中的疲劳裂纹萌生和扩展，明确捕捉了晶界对裂纹轨迹的影响。Chen等人[54]引入了一种数据-知识驱动的增强应力场强度方法，解决了纯经验公式在缺口疲劳预测中的局限性。Tang等人[55]和Feng等人[56]表明，物理信息神经网络和多模型集成策略可以有效地将物理机制与实验数据融合，用于高温部件寿命预测。尽管取得了这些进展，但一个同时整合微观结构属性、表面状态依赖的裂纹萌生和高温氧化动力学的统一模型仍然难以实现。

鉴于上述情况，本研究的动机在于迫切需要对SLM GH4169的HCF行为中构建方向、热处理、表面处理和测试温度的微观机制贡献进行破译，并建立一个连接这些多因素耦合的预测框架。在宏观尺度上，本研究在室温和高温（650°C）下进行了系统的HCF实验，结合了各向异性（受构建方向和独特微观结构特征影响）和多种后处理策略（包括用于体积微观结构细化的热处理和用于改善完整性的表面处理）。在微观尺度上，本研究采用多种表征技术量化了这些工艺和服役变量对疲劳裂纹萌生和扩展的微观机制贡献。此外，开发并实验验证了一种稳健的、微观结构敏感的疲劳寿命预测模型，称为改进的Tanaka-Mura-Z（TM-Z）模型，并与全面的实验数据库进行了对比验证。

本文其余部分组织如下。第2节概述了综合实验方法，涵盖SLM制备、后处理、高周疲劳测试和微观结构表征。第3节展示了微观结构特征和HCF寿命结果。第4节提供了综合讨论，批判性地审视了疲劳断裂特征，系统性地破译了构建方向、热处理、表面状态和高温对裂纹萌生和扩展的微观机制贡献，最终建立并验证了改进的TM-Z模型。第5节总结了主要结论和意义。

章节片段

材料与方法
本节概述了综合实验框架，采用单因素对比设计：每个因素独立变化，而其他因素保持不变。该框架涵盖多个构建方向的SLM GH4169试样的热处理和表面处理加工、室温和高温下的HCF测试，以及断口和裂纹萌生机制的微观结构表征。

结果
本节系统地表征了不同构建方向和后处理条件下的各向异性和微观结构演化，并量化了对应的HCF性能，包括室温和高温下的S-N行为和疲劳寿命统计。

讨论
本节批判性地解释了疲劳断裂特征，系统性地破译了构建方向、热处理、表面状态和高温对裂纹萌生和扩展的微观机制贡献，最终建立并验证了一种新的SLM GH4169 HCF寿命预测模型。

结论
本研究系统地调查了跨构建方向、热处理、表面状态和服役温度的SLM GH4169的HCF行为和寿命预测，基于一个包含158次疲劳测试（134次断裂，24次未断裂）的数据库，涵盖25°C和650°C下十种构建-热处理-表面状态组合。

固有疲劳抗力受双尺度晶粒尺寸效应控制，该效应由晶粒直径与循环塑性区尺寸的比值表示。在AD状态下，塑性区……

CRediT作者贡献声明

Qiwen Li：撰写–原稿，验证，调查，正式分析，数据整理。
Lei Zhao：撰写–审阅与编辑，资金获取，概念设计。
Quan Li：资源，调查。
Lianyong Xu：监督，项目管理，方法。
Kai Song：监督，项目管理。
Yongdian Han：监督，项目管理。
Bo Xiao：可视化，软件。
Kangda Hao：监督，项目管理。
Tianzhu Wang：撰写–审阅与编辑。

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