基于刚度法快速疲劳测试的粉末床熔融316L中缺陷对疲劳机制竞争效应评估

《Progress in Additive Manufacturing》：Rapid fatigue testing to evaluate the competing effect of defects on the fatigue mechanism of powder bed fusion 316L specimens

　　

表面粗糙度与近表层孔隙是金属增材制造（additive manufacturing, AM）构件固有的特征，并作为疲劳裂纹萌生位置，降低疲劳强度与服役寿命。尽管机加工与抛光可降低表面粗糙度，但其成本高、耗时长且仅限可达区域。本研究采用刚度法（stiffness method），一种快速疲劳试验，研究表面粗糙度与未熔合（lack of fusion, LOF）缺陷对激光粉末床熔融（laser powder bed fusion, PBF-LB/M）和电子束粉末床熔融（electron beam powder bed fusion, PBF-EB/M）316L不锈钢试样疲劳性能的竞争效应。优化轮廓参数可在无后处理条件下获得与抛光试样相差1.5%以内的疲劳极限。该快速疲劳方法在九种表面条件下得到验证，所得疲劳极限与传统试验结果相差2%以内，并将试验时间缩短1000 h以上。这些发现表明，表面优化可显著提高疲劳性能，快速疲劳测试为评估增材制造（AM）零件疲劳行为提供了高效且可靠的替代方案。

论文主体解读：

研究背景方面，金属增材制造（AM）能够以近净形状制造复杂几何金属零件，并缩短时间、降低成本与能耗；粉末床熔融（powder bed fusion, PBF）是金属零件主要工业AM方法，包括以激光为热源的PBF-LB/M和以电子束为热源的PBF-EB/M。AM虽有优势，但工艺诱导的未熔合（LOF）与气孔、表面粗糙度及力学性能各向异性限制了其工业应用，尤其会降低疲劳抗力，使疲劳极限低于传统制造对应材料。既有研究多集中于优化工艺参数以减少固有缺陷、评估单一缺陷影响以及采用后处理提高性能。表面粗糙度和近表层孔隙会提供有利的疲劳萌生位置或影响微裂纹扩展；机加工和抛光虽可提高疲劳强度，但成本高、耗时长，且会削弱AM近净成形优势。另一方面，疲劳研究所需试样数量多、时间与成本高，快速疲劳测试成为可能解决方案；Parareda et al.提出的刚度法通过阶梯循环加载监测刚度与塑性应变变化确定疲劳极限，Bemani et al.已将其用于AM不锈钢、钛合金和铝合金。基于此，研究人员开展本研究，以评估PBF-LB/M与PBF-EB/M AISI 316L试样中不同缺陷对疲劳与断裂机制、疲劳强度和裂纹萌生的竞争作用，并通过调整轮廓参数实现表面条件优化，在显著短于传统疲劳测试的时间内平衡表面谷与LOF缺陷的不利影响，为研究人员和工业界提供低成本、省时的AM疲劳性能评估框架。

研究人员开展了PBF-EB/M与PBF-LB/M 316L狗骨形疲劳试样研究：PBF-EB/M试样中三件保持as-built状态、三件抛光至镜面；PBF-LB/M同几何与材料试样同样分为抛光和as-built两组，每组三件；另通过改变轮廓偏移和轮廓层数制备五组PBF-LB/M试样，以覆盖较宽表面粗糙度与近表层缺陷范围。研究采用刚度法快速疲劳试验，并与传统阶梯法（staircase method）结果比较验证；传统阶梯法用于抛光PBF-LB/M试样（9次试验）和as-built PBF-EB/M试样（7次试验）。结论表明，刚度法可准确预测PBF-LB/M和PBF-EB/M在抛光与as-built条件下的疲劳极限，与传统法差异仅约2%；优化轮廓参数可使as-built试样疲劳极限接近抛光试样；当表面谷与近表层LOF缺陷的负面效应达到平衡时，表面优化可获得与抛光几乎相同的疲劳抗力，从而减少耗时昂贵的后处理。其重要意义在于，快速疲劳测试可显著降低AM疲劳研究的时间、成本和试样数量，并为通过表面优化平衡缺陷效应、减少后处理提供依据。

关键技术方法概括（不超过250字）：采用刚度法快速疲劳试验，以步进增载方式监测刚度和塑性应变，确定疲劳极限（σ_f）与断裂应力（σ_frac）；用阶梯法验证结果；按ISO 6892-1测拉伸性能；用Alicona测R_a、R_v、S_a、S_v，用光学显微镜（optical microscope, OM）、场发射扫描电子显微镜（field emission scanning electron microscope, FE-SEM）和能量色散X射线谱（energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX）表征组织与缺陷，并用维氏硬度（Vickers hardness, HV）评价表面与填充区；按ASTM E647用紧凑拉伸（compact tension, CT）试样测疲劳裂纹扩展速率（fatigue crack growth rate, FCGR）及长裂纹阈值应力强度因子（ΔK_th,lc）。样本来源为Arcam AB电子束熔化机制造的PBF-EB/M试样和SAMYLABS PBF-LB机制造的PBF-LB/M试样，均为316L，沿Z轴打印。

研究结果如下。3.1 材料表征：通过FE-SEM、OM、拉伸、粗糙度和HV测试发现，PBF-LB/M试样的σ_YS和σ_UTS较高而延伸率较低，二者均高于ASTM A240传统材料；PBF-EB/M中LOF尺寸可达约500 μm，而PBF-LB/M为100–150 μm；PBF-EB/M表面粗糙度参数几乎为PBF-LB/M的两倍且表面HV较低。不同轮廓参数试样中，NC、1C、2C、3C在轮廓与填充区完全重叠时仅见球形气孔，气孔密度和直径随轮廓层数增加而降低；0至50 μm和100 μm轮廓偏移会形成LOF，极端情况下形成轮廓与最后填充层间间隙；打印轮廓层显著降低粗糙度，而不同偏移下粗糙度近恒定；打印轮廓层提高表面硬度；1C50试样平均枝晶直径更小。3.2 抛光和as-built PBF-EB/M与PBF-LB/M试样的疲劳结果：通过刚度法与阶梯法比较，抛光PBF-LB/M和as-built PBF-EB/M的疲劳极限分别为294 ± 5 MPa和152.5 ± 2.5 MPa，差异约2%，测试时间减少90%。3.3 改性表面PBF-LB/M试样的疲劳结果：通过刚度法获得不同轮廓参数试样的塑性应变—最大应力关系及σ_f、σ_frac；Paris-Erdogan律拟合得到m为4.27，ΔK_th,lc为5.0 MPa m^1/2（考虑R = 0.1时K_th,lc为5.5 MPa m^1/2）。

讨论部分总结：4.1 缺陷竞争效应：研究人员用刚度法在LOF尺寸100–500 μm和表面谷深75–141 μm范围内评估疲劳抗力与机制，抛光使PBF-LB/M的σ_f和σ_frac分别提高9%和15%，使PBF-EB/M的σ_f提高8%；抛光后内部大LOF成为表面或近表层缺陷并提供优先萌生位置，但表面谷的负面作用仍更大；PBF-EB/M的HV和σ_YS较低，故疲劳极限较低；其内部缺陷约大三倍、表面谷深约两倍，仍主导疲劳萌生；抛光成本高且削弱近净成形优势。4.2 表面改性：4.2.1 裂纹萌生：通过断口分析发现，打印轮廓层降低表面谷深，裂纹可从表面和近表面内部孔同时萌生，说明粗糙度降低使表面谷与近表层缺陷效应达平衡；1C、2C、3C的S_v和HV差异小于10%，疲劳极限相近；NC的S_v约为打印轮廓层试样的两倍且HV较低；1C50连接线存在10–100 μm孔，1C100存在间隙，裂纹多从近表面缺陷而非表面谷萌生；El Haddad经验模型估计与刚度法结果差异小于15%，趋势一致，但模型未考虑谷尖锐度等；R_ku在NC为3.27 ± 0.12、1C为3.74 ± 0.34，1C谷更尖，可降低疲劳极限；偏移试样模型显示疲劳极限较NC提高4–10%，接近刚度法结果。4.2.2 裂纹扩展：高于疲劳极限后微裂纹扩展；NC预存缺陷较大、σ_f较低，裂纹更早扩展且速率较高，最终失效应力比打印轮廓层试样低约6%、比抛光试样低15%；NC、1C、2C、3C裂纹扩展区最终长度约1.2–1.6 mm；轮廓层数无显著影响；1C50和1C100裂纹扩展区约1.6–1.8 mm，较大裂纹源导致较高应力强度因子和扩展速率，σ_frac降低超过10%。4.3 优化表面与抛光试样比较：综合σ_f、裂纹扩展速率和σ_frac，打印轮廓层可将近S_v减半并提高表面HV，从而提高σ_f；超过一层无额外优势，轮廓层与最后填充层完全重叠可减少孔隙和间隙；1C与抛光试样σ_f仅差约1.5%；抛光会去除高能量密度轮廓层，使超过100 μm的内部LOF成为表面缺陷；由长裂纹ΔK_th,lc估算短裂纹ΔK_th,sc，1C为4.2 MPa m^1/2、抛光试样为4.4 MPa m^1/2，短裂纹效应相近，说明平衡已达到，抛光未显著提高疲劳极限；对PBF-LB/M中较低表面粗糙度和LOF类缺陷，抛光可能不显著提高疲劳极限，考虑时间、成本和 effort，某些应用中可省略，更实用的是通过打印参数调整表面；该结论特定于本研究的材料、方法及缺陷类型、尺寸和位置，316L具有缺陷容忍性，其他钛、铝及不同载荷条件需逐案研究；传统阶梯法完成类似完整疲劳研究约需1100 h和77件试样，本工作约需100 h和27件试样，显著降低打印、制备和测试时间与成本。

研究结论翻译：第1条，考虑阶梯法结果，刚度法预测PBF-LB/M和PBF-EB/M试样在抛光与as-built表面条件下疲劳极限的能力可表述为仅约2%差异。第2条，在无表面改性时，as-built条件疲劳始于表面谷，抛光条件疲劳始于大LOF缺陷，激光和电子束粉末床熔融试样均如此。第3条，刚度法结果表明，打印具有更高能量密度的轮廓层可提高疲劳极限值，但轮廓层数和轮廓偏移未显著改变试样疲劳强度；然而高轮廓偏移下较低断裂应力和较高裂纹扩展速率不应忽视。第4条，表面改性激光粉末床熔融试样的刚度法结果表明，若表面谷与LOF缺陷的负面效应达到平衡，as-built试样可达到抛光试样的疲劳抗力水平；当疲劳是主要挑战时，这可减少耗时、昂贵的后处理表面处理需求。第5条，利用刚度法可将研究AM试样疲劳与断裂行为的时间、成本和所需试样数量降低近90%，使研究人员能够开展原本非常耗时和昂贵的疲劳研究，以改善AM零件动态力学性能。