《Materials Science and Engineering: A》：High-cycle fatigue performance and failure mechanism of a novel Al-Si-Fe-Mn-Ni alloy fabricated via laser powder bed fusion
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Jinjian Zhang|Ying Han|Tongzhou Xu|Haohao Zou|Jingshi Zhang|Weiwei Zhu|Wen Wang|Xu Ran教育部先进结构材料重点实验室，长春工业大学材料科学与工程学院，中国长春130012摘要本研究采用激光粉末床熔
Jinjian Zhang|Ying Han|Tongzhou Xu|Haohao Zou|Jingshi Zhang|Weiwei Zhu|Wen Wang|Xu Ran
教育部先进结构材料重点实验室，长春工业大学材料科学与工程学院，中国长春130012
摘要
本研究采用激光粉末床熔融（LPBF）技术制备了一种新型Al-Si-Fe-Mn-Ni合金，并系统研究了其在应力比（R）为0.1和-1时的高周疲劳性能及失效机制。结果表明，近表面缺陷是疲劳失效的主要诱因。疲劳强度受应力状态、缺陷尺寸和形态以及微观结构特征的综合影响。在该应力比下，合金的疲劳强度高达200 MPa。此时，疲劳裂纹沿柱状晶界扩展；而高密度的细小等轴晶粒和纳米级Al16(Fe,Mn,Ni)Si2沉淀物有效阻碍了裂纹的扩展。相反，在应力比为-1时，具有高Schmid因子的晶粒的存在以及压缩应力循环的引入促进了循环软化，这导致裂纹起始处的疲劳损伤累积，从而加速了裂纹沿熔池边界的扩展，并形成了更宽的疲劳条纹，使得疲劳强度降至90 MPa。此外，基于缺陷参数建立了Kitagawa-Takahashi图来预测合金的疲劳强度。实验疲劳数据与模型曲线的良好吻合证实了该模型的有效性和适用性。
引言
在航空航天和交通运输等领域，对高强度、轻质铝合金部件的需求日益增长[1]、[2]、[3]，尤其是对于具有复杂几何形状的部件（例如，拓扑优化结构、集成冷却通道和晶格结构[4]）。激光粉末床熔融（LPBF）技术为这类高性能复杂部件的直接制造提供了出色的设计灵活性和接近净成形的能力[5]、[6]。然而，大多数现有的高强度铝合金（如Al-Cu[7]、[8]、[9]和Al-Zn-Mg系列[10]、[11]）存在较宽的凝固范围和较高的热裂纹倾向，这使得它们在LPBF过程中容易开裂，严重限制了其应用[7]、[8]、[12]。目前，通过LPBF制造的铝合金仍主要局限于具有良好可打印性的Al-Si系列合金，如AlSi10Mg、AlSi7Mg和AlSi12[13]、[14]、[15]、[16]。
尽管Al-Si合金具有良好的可打印性和较高的比强度，但其室温和高温下的强度往往无法满足主要承力结构部件的严格要求[17]、[18]。更重要的是，LPBF的逐层制造工艺引入了孔隙和未熔合（LOF）等缺陷，并形成了具有显著各向异性的微观结构。这些因素共同影响了疲劳性能，尤其是高周疲劳（HCF），对部件的可靠性构成了关键限制[19]、[20]、[21]、[22]。例如，工艺诱导的缺陷是最容易发生疲劳裂纹起始的位置。X射线计算机断层扫描对AlSi10Mg中的缺陷分布进行分析后发现，近表面缺陷容易引起应力集中，降低了裂纹起始的阈值，导致过早的疲劳失效[19]。此外，由于逐层制造和熔池的定向凝固，Al-Si合金在不同方向上表现出不同的微观结构和缺陷分布。较大的平面缺陷主要分布在构建平面内，这也导致了高度各向异性的疲劳强度[20]。其次，微观结构控制着裂纹的起始和扩展（FCG）。在LPBF Al-Si合金中，典型的外延柱状晶粒结构沿构建方向呈现<100>取向。当加载方向与柱状晶粒对齐时，可以抵抗裂纹扩展；然而，在垂直于构建方向的循环加载下，裂纹会沿柱状晶粒长度扩展，从而加快了FCG速率。相比之下，这些合金中形成的等轴晶粒结构限制了位错的来回运动，抑制了应变局部化，有效阻碍了裂纹生长[21]、[22]。然而，在高周疲劳（HCF）条件下，过多的等轴晶粒可能会成为微裂纹的起始点，从而降低疲劳性能。Al-Si合金中独特的共晶Si网络调节了疲劳扩展。Liu等人[23]通过对不同构建方向的AlSi7Mg合金进行疲劳测试发现，当Si网络垂直于FCG方向时，会形成位错缠结，阻碍位错运动并抑制早期裂纹生长；而当Si网络与FCG方向对齐时，位错容易穿过Si相，形成低阻力的路径，加速裂纹扩展。总之，现有Al-Si合金在工艺缺陷敏感性、微观结构稳定性和各向异性方面的局限性严重限制了其在动态载荷条件下的可靠性。因此，仅仅优化加工参数或修改单一相是不够的，必须从合金设计阶段开始开发具有更稳定和强化微观结构的新合金体系。
为了解决这些挑战，最近通过引入低成本、扩散缓慢的元素（如Fe、Mn和Cr）来设计新型高强度Al-Si基合金成为了一个非常有前景的研究方向[24]、[25]、[26]。研究人员已成功通过LPBF制备了Al-Si-Fe-Mn-Ni合金，这种合金具有由纳米级金属间化合物（IMCs）和共晶Si网络组成的协同强化结构，在室温和高温下的拉伸和蠕变性能方面具有显著优势[27]、[28]、[29]。然而，值得注意的是，LPBF部件在动态循环载荷下的失效行为比在静态载荷下要复杂得多[31]、[32]、[33]。它们的疲劳性能不仅受工艺诱导缺陷（例如，特定方向排列的未熔合缺陷引起的应力集中）的分布和取向的影响，还与熔池结构和柱状晶粒纹理等微观特征的各向异性密切相关[30]、[32]、[33]。对于这些新兴的低成本、高强度LPBF铝合金，对其HCF行为及其背后的多尺度机制的系统研究仍然不足。
本研究通过LPBF制备了Al-Si-Fe-Mn-Ni合金，并系统研究了其在不同应力比下的HCF行为，阐明了缺陷和微观结构的协同效应对裂纹起始和扩展机制的影响。还建立了一个基于缺陷特征的疲劳寿命预测模型。结果表明，Fe、Mn和Ni的联合添加形成了稳定的纳米级Al16(Fe,Mn,Ni)Si2金属间化合物和共晶Si网络，从而在不添加昂贵Sc或Zr的情况下实现了高强度和高疲劳抗性的平衡。总之，这些发现为这种新型合金的工程应用提供了重要的疲劳可靠性数据支持。或许更重要的是，它们为通过LPBF经济高效地设计抗疲劳铝合金奠定了实验基础，提供了一种不依赖昂贵Sc或Zr添加的可行途径。
节片段
材料和粉末特性
本研究使用的Al-Si-Fe-Mn-Ni合金粉末由北京宝航先进材料有限公司（中国）提供，是一种用于3D打印的预合金粉末，其化学成分见表1。粉末的形态如图1a所示，主要为球形，表面附着有少量卫星颗粒，具有良好的流动性。颗粒尺寸分布见图1b。特征直径D10、D50和D90分别为10.3 μm。
相对密度和缺陷
使用工业X射线计算机断层扫描对LPBF制备的合金进行了检测。测得的相对密度为99.993%，与之前通过气体置换法获得的结果一致。同时，还获得了3D形态和内部缺陷（孔隙和LOF）的分布，如图4a所示。合金中存在不同大小和形状的缺陷，但总体分布相对均匀。缺陷通过定量分析进行了研究。
缺陷效应
与增材制造材料通常的情况一样，疲劳裂纹的起始位置是决定合金疲劳寿命的关键因素。为了详细分析LPBF制备的Al-Si-Fe-Mn-Ni合金在两种应力比下的疲劳裂纹起始特性，对28个疲劳断裂表面的裂纹起始位置进行了检查，以确定其类型和大小。如图11所示，在两种应力比下，疲劳裂纹的来源都是
结论
本研究通过LPBF制备了一种新型Al-Si-Fe-Mn-Ni合金，并研究了缺陷和微观结构对两种应力比（0.1和-1）下高周疲劳行为的影响。从这项综合研究中可以得出几个关键结论：
(1)该合金主要呈现由柱状晶粒和等轴晶粒组成的双模态微观结构，晶粒内部含有共晶Si网络和Al16(Fe,Mn,Ni)Si2金属间相。在应力比为0.1时
CRediT作者贡献声明
Jingshi Zhang：指导。 Haohao Zou：研究。 Tongzhou Xu：研究。 Ying Han：撰写——审阅与编辑、研究、资金获取、概念化。 Jinjian Zhang：撰写——初稿、方法学、正式分析。 Xu Ran：撰写——审阅与编辑、指导、资金获取。 Wen Wang：研究、资金获取、正式分析。 Weiwei Zhu：指导
未引用参考文献
[42]、[60]、[61]、[62]。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了吉林省科学技术发展计划（编号：YDZJ202601ZYTS093）、优秀青年学者国家自然科学基金（编号：52222410）以及国家自然科学基金（编号：52575360和51974032）的财政支持。我们感谢华南材料研究院（广州）有限公司在材料研究领域的支持，以及北京宝航先进材料有限公司在TEM/SEM表征方面的协助。
