基于晶体塑性的激光粉末床熔融 GH4169 低周疲劳寿命预测：孔隙缺陷的主导作用

《INTERNATIONAL JOURNAL OF PLASTICITY》：Low-cycle Fatigue Life Prediction of LPBF GH4169 via Crystal Plasticity: The Dominant Role of Porosity Defects

　　

摘要大多数 GH4169 部件在恶劣环境中服役，其中低周疲劳 (LCF) 性能至关重要。然而，由于异质微观结构与工艺诱导气孔缺陷的复杂耦合，激光粉末床熔融 (LPBF) 部件的精确 LCF 寿命预测仍然具有挑战性。现有研究通常将气孔缺陷理想化为简化的几何原语，忽略了其真实形貌在损伤演化中的决定性作用。为了解决这一问题，本研究通过调整 LPBF 工艺参数，制备了具有不同缺陷分布模式（以未熔合 (LoF) 为主和以气孔为主）的样品。通过晶体塑性有限元 (CPFE) 方法进行了正交数值实验，以解耦缺陷尺寸和形貌的影响。基于这一机理洞察，建立了一个结合高保真缺陷几何形状的 CPFE 框架，并以储存能密度 (SED) 作为疲劳指示参数。该框架对高密度样品在整个应变幅值范围 (0.4%–1.2%) 内的 LCF 寿命提供了准确的预测。对于低密度样品，在低应变幅值 (≤ 0.6%) 下保持了预测精度，而在高应变幅值 (≥ 0.6%) 下出现了偏差。将实际最大缺陷纳入 RVE 证实，极端缺陷采样不足是观察到的预测偏差的主要原因。此外，发现特定的连续分布气孔缺陷会形成互连损伤带，从而加速微裂纹合并。本工作为具有多样气孔缺陷分布模式的 LPBF GH4169 部件的可靠 LCF 寿命预测建立了一条稳健的途径。

引言 GH4169 镍基高温合金以其在高温下的优异机械性能、高强度以及出色的耐腐蚀和抗蠕变性能而闻名 (Donachie MJ and Donachie SJ, 2002; Mostafaei et al., 2023)，使其成为航空航天、海洋、能源和核工业中苛刻应用的优选材料 (Sadeghi et al., 2023)。然而，尽管性能优越，但由于 GH4169 导热率低且硬度高，导致材料去除率低且刀具磨损严重，因此难以加工 (Saleh et al., 2026)。铸造和锻造等传统制造工艺面临材料浪费大、交付时间长、几何复杂度有限以及易开裂等额外挑战 (Varun Kumar A et al., 2025)。这些缺点 collectively 凸显了对替代制造方法的需求。

增材制造 (AM)，特别是激光粉末床熔融 (LPBF)，凭借其通过逐层制造方式制造具有高几何精度和复杂形状部件的能力，已成为一种可行的选择。同时，大多数 GH4169 部件通常承受由环境因素或操作条件引起的循环载荷。这种暴露导致高应变低周疲劳 (LCF)，这对安全构成重大威胁 (Niu et al., 2024)。因此，了解疲劳失效及其与微观结构的相关性一直是过去几十年的研究重点。LPBF 特有的工艺诱导冶金缺陷包括残余应力、非预期相/析出物 (Zhao et al., 2026; Xi et al., 2023)、未熔合孔和热裂纹，所有这些都可能作为应力集中点和疲劳裂纹成核位点， potentially 导致过早失效 (Debroy et al., 2018; Yi et al., 2024)。此外，局部和快速凝固导致强织构柱状晶结构和异质位错分布，这 collectively 导致建成态材料的各向异性机械性能 (Deng et al., 2018; Kuang et al., 2026; Radhakrishnan et al., 2022; Zhang et al., 2025)。鉴于 LPBF 制造材料对工艺参数的敏感性，即使优化的参数也无法完全消除冶金缺陷，这促使人们广泛研究具有不同缺陷分布和微观结构的材料的疲劳性能。

首先，关注微观结构效应，研究人员通过优化工艺参数、原位强化、定制后处理和外部场辅助，制造了具有不同微观结构的各种 LPBF 制造的 Ni 基材料 (Wang et al., 2023; Yang et al., 2025)。基于高周和低周疲劳性能的宏观分布，他们建立了微观结构与失效行为之间的关系。其次，关于缺陷主导的损伤，Wu 等人通过先进的微观结构表征和无损检测技术，对各种材料中的基于缺陷的损伤和失效机理进行了研究 (Wu, 2025; Wu et al., 2023; Xiao et al., 2025)。第三，最近的尖端研究尝试探索缺陷和微观结构对机械性能的耦合效应。Muhammad 等人 (2021) 报告称，即使最大缺陷尺寸达到 40 μm，疲劳裂纹也主要起源于结晶学平面。疲劳裂纹的萌生主要归因于滑移平面上持久滑移带的形成。LPBF 制造的 GH4169 中缺陷驱动和晶体驱动的疲劳裂纹萌生机理可能竞争，但支配这种竞争的因素仍然不明 (Dodaran et al., 2022)。

显然，定制工艺或后处理可以有效增强 LPBF 材料的疲劳性能，然而此类干预 invariably 伴随 substantial 成本增加，并且往往与净成形制造要求不兼容。对于建成态 LPBF 制造的部件，冶金缺陷和异质微观结构几乎是不可避免的。与其试图完全消除这些特征（这是一项成本高昂且往往不切实际的努力），更务实的工程策略是量化其对机械性能的影响并建立可靠的性能极限。然而，完全依赖试错测试的传统资格认证方法既耗时又经济上 prohibitive，特别是考虑到工艺参数的细微波动导致缺陷群的 wide 变异性。因此，迫切需要开发一种能够直接准确评估含缺陷材料机械性能的方法。在这种情况下，晶体塑性有限元 (CPFE) 方法在疲劳预测方面显示出巨大的前景。

CPFE 是一种基于微观结构的数值方法，用于模拟微观尺度下多晶体的弹塑性变形行为 (Fang et al., 2022; Motaman et al., 2020; Wu et al., 2025)。CPFE 也被研究人员广泛用于研究疲劳损伤和疲劳指示因子 (FIPs) (Liao et al., 2023; Muth et al., 2021; Sayer et al., 2022)。Wan 等人 (2014) 提出的储存能密度 (SED) 准则，已被广泛用于理解 LCF 行为的微观结构敏感性。SED 准则评估滑移系开动、位错密度演化和局部应力幅值的 joint 效应 (Liu et al., 2023)，能够准确预测多晶材料中的裂纹萌生位置和扩展路径 (Lu et al., 2020; Lucarini et al., 2023; Xu et al., 2021)。许多基于 CPFE 的研究考察了各种材料中的损伤演化。Zhang 等人 (2024) 采用等效塑性应变准则识别出孪晶和 triple-junction 边界为 IN718 中的关键成核位点，并将应变与 Coffin-Manson 关系联系起来进行寿命预测。Toursangsaraki 等人 (2024) 将 Hall-Petch 关系纳入 CPFE 以量化 LPBF 制造的 IN718 的各向异性强化。然而，这些研究中的大多数仍然采用简化的、理想化的等效缺陷几何形状，这未能捕捉真实的多晶形貌或由不规则气孔缺陷引起的复杂应力集中，以及由此导致的疲劳性能退化。

当气孔缺陷通常被理想化为球体、椭圆或简单几何原语时，这在计算上是便捷的，但这种简化 fundamentally 错误地表述了 LPBF 材料中真实工艺诱导缺陷的机械严重性 (Chandra et al., 2023; Prithivirajan and Sangid, 2018; Qu et al., 2023; Xi et al., 2024)。实际的气孔缺陷表现出高度不规则、低球形度的形貌，具有尖锐的回弯角、复杂的空间取向和内部未熔化粉末颗粒——这些特征产生的应力集中远超理想化等效面积近似预测的值 (Chen et al., 2018; Foster et al., 2026; Loiodice et al., 2025; Sun et al., 2024)。此外，不规则缺陷几何形状与局部结晶学各向异性之间的相互作用表征不佳，然而它 governing 了疲劳裂纹成核的精确位置和驱动力幅值。这种简化一个特别令人担忧的后果是，任何将不规则 LoF 缺陷近似为等效球体或椭圆的 CPFE 框架都会系统地低估局部储存能密度，导致缺陷敏感材料中非保守的寿命预测。

本研究旨在开发一种预测 LPBF 制造的含缺陷 GH4169 样品 LCF 寿命的方法。基于 EBSD/SEM 显微图像构建了多个结合高保真气孔缺陷的 RVE 模型。进行了 CPFE 模拟以捕捉各种复杂的机械响应，阐明气孔缺陷的不同形貌和分布如何与局部微观结构协同影响失效过程。使用 SED 准则预测 LCF 寿命，为定义含缺陷建成态 LPBF 样品的性能边界建立可靠的指导方针。

部分片段
样品制备
本研究中使用的粒径范围为 15-53 μm 的气雾化 GH4169 粉末由江苏维理先进材料有限公司制造。GH4169 粉末的名义成分如表 1 所示。尺寸为 160×160 mm 的 wrought 316L 不锈钢板用作基板。

使用由 ZRapid Tech 有限公司生产的 iSLM160 LPBF 系统执行 LPBF，该系统配备有一台最大功率为 500 W 的 1064 nm 波长光纤激光器，以及一个激光光斑

晶体塑性数值实现
为了量化微观结构和缺陷的耦合效应，本研究中采用了一种非局部位错基晶体塑性 (CP) 模型。CPFE 方法的计算实现使用用户自定义材料子程序 (UMAT) (Demir et al., 2025)。总变形梯度 ?? 分解为弹性变形分量 ???? 和塑性变形分量 Fp 作为 (Ashby, 1970)：
??=?????????
塑性梯度 ???? 与剪切率 ˙???? 之间的关系

微观结构分析
VLD、LD、HD 和 VHD 代表样品的 EBSD 结果如图 5 所示（所有样品的详细 EBSD 结果如图 A2 所示）。图 5(a1) 到图 5(d1) 显示了 Y 方向的反极图 (IPF-Y) (IPF-Y)，展示了各种样品的晶粒形貌和晶体取向。随着扫描速度从 VLD 样品的 1250 降至 VHD 样品的 850 mm/s，体积能量密度 (VED) 反向增加。同时，更强的温度

损伤累积对气孔尺寸和形态的敏感性分析
为了定量地解耦气孔缺陷尺寸和形貌对局部损伤累积的单独贡献和交互贡献，设计了一个全因子数值实验。基于 EBSD 重构的 RVE，提取了五种特征气孔缺陷形貌以代表实验中观察到的缺陷形状的全部谱系：一个完美圆形的缺陷 (Circle, 球形度 (S) = 1.00)，一个气孔缺陷 (GP, S = 0.96)，一个过渡缺陷 (Trans, S

结论
在本研究中，通过将真实缺陷形貌明确纳入 CPFE-SED 框架，实现了对具有多样气孔缺陷分布模式的 LPBF GH4169 的高精度低周疲劳寿命预测。主要发现总结如下：
(1) 基于 EBSD-CT 表征构建的高保真 RVE 准确重现了具有不同气孔缺陷分布的样品的拉伸和低周疲劳响应。紧密的一致性

CRediT 作者贡献声明
Minyang Wang：撰写 - 原稿，概念化，数据整理，方法论，可视化。Xuewei Fang：撰写 - 审阅与编辑，方法论。Shahid Ghafoor：撰写 - 审阅与编辑。Yuan Zhou：调查，验证。Haonan Wu：调查。Xuefan Guo：调查，验证。Naiyuan Xi：撰写 - 审阅与编辑，方法论。Xiaopeng Li：撰写 - 审阅与编辑。Ke Huang：撰写 - 审阅与编辑，概念化。监督。

数据可用性
数据将在要求时提供。

未引用参考文献
John, 1953

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Minyang Wang：撰写 – 原稿，可视化，方法论，数据整理，概念化。Xuewei Fang：撰写 – 审阅与编辑，方法论。Shahid Ghafoor：撰写 – 审阅与编辑。Yuan Zhou：验证，调查。Haonan Wu：调查。Xuefan Guo：验证，调查。Naiyuan Xi：撰写 – 审阅与编辑，方法论。Xiaopeng Li：撰写 – 审阅与编辑。Ke Huang：撰写 – 审阅与编辑，监督，概念化。

Minyang Wang|Xuewei Fang|Shahid Ghafoor|Yuan Zhou|Haonan Wu|Xuefan Guo|Naiyuan Xi|Xiaopeng Li|Ke Huang
制造系统工程国家重点实验室，西安交通大学，中国西安，710054