《Journal of Materials Research and Technology》：The effect of process-induced defects on fatigue life in high-strength Al2139 alloy produced by laser powder bed fusion
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本研究探讨了工艺诱导缺陷对采用金属激光粉末床熔融（laser-based powder bed fusion of metals, PBF-LB/M）制备的高强度Al2139合金疲劳性能的影响。对沉积态和机加工态两种表面状态的试样进行了高周单轴疲劳测试，以评估
本研究探讨了工艺诱导缺陷对采用金属激光粉末床熔融（laser-based powder bed fusion of metals, PBF-LB/M）制备的高强度Al2139合金疲劳性能的影响。对沉积态和机加工态两种表面状态的试样进行了高周单轴疲劳测试，以评估表面状态与缺陷特征的联合影响。利用扫描电子显微镜进行的断口观察确定了气孔和未熔合（lack-of-fusion, LoF）缺陷是主要的裂纹萌生位置。LoF缺陷进一步分为形态相对致密的规则LoF缺陷和具有较大投影面积的浅层不规则LoF缺陷。尽管消除了表面粗糙度的影响，机加工试样在S–N响应中仍表现出更大的分散性，并且在若干情况下，在相同应力水平下测试的疲劳寿命短于沉积态对应试样。机加工组的过早失效始终与浅层且不规则的LoF缺陷相关，这些缺陷具有较大的有效尺寸，并通过机加工操作暴露于表面。由此得出结论，缺陷形态和投影面积对疲劳性能的影响比标称表面光洁度更为关键。使用村上（Murakami）的√area参数量化了缺陷严重性。通过将缺陷理想化为圆柱形试样上的半圆形表面裂纹，计算了等效缺陷半径，以确定相应的应力强度因子（stress intensity factor, SIF）。在SIF与疲劳寿命之间建立了明确的相关性，从而能够实现基于缺陷的寿命预测方法。所提出的框架为在给定应力水平下定义允许缺陷尺寸提供了定量基础，并有助于PBF-LB/M Al2139部件的缺陷容限设计策略。
本研究论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。高强度铝合金在航空航天和汽车工业中具有重要地位，增材制造（additive manufacturing, AM）为制造复杂高性能铝合金部件提供了新途径。然而，PBF-LB/M工艺诱导的缺陷，如气孔、未熔合和钥匙孔孔隙，会成为局部应力集中源，显著降低疲劳性能。Al2139合金由EOS基于变形铝合金AA2139开发，其抗拉强度可与传统AA7050合金相当，但窄工艺窗口和高热敏感性使其在PBF-LB/M过程中易形成缺陷。目前针对Al2139的研究多集中于工艺优化和热处理，而缺陷形态、尺寸与疲劳裂纹萌生之间的定量关系尚不明确，缺乏缺陷容限准则，制约了其在安全关键部件中的应用。因此，本研究系统考察了PBF-LB/M Al2139中不同工艺诱导缺陷的特征及其对疲劳寿命的影响，旨在建立基于缺陷的疲劳寿命预测框架。
研究人员使用EOS Al2139粉末（标称粒径20–63 μm），在芬兰EOS Finland Oy的EOS M400-4设备上打印了31个疲劳试样，其中沉积态试样为净成形，机加工态试样先打印为14 mm直径圆柱再机加工至最终尺寸。所有试样经T4固溶处理和自然时效后，在应力比R=0.1、频率20 Hz、运行极限500万次条件下进行高周单轴疲劳测试。采用扫描电子显微镜（SEM）进行断口分析，结合能谱分析（energy dispersive spectroscopy, EDS）和电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）表征缺陷形貌及元素分布。缺陷尺寸依据Murakami模型和Ramezani等提出的半椭圆表面裂纹闭合解计算应力强度因子范围ΔK。同时，利用光学显微镜与ImageJ软件对纵截面进行孔隙率定量，使用接触式轮廓仪测量表面粗糙度。
3.1 应力-寿命曲线
疲劳测试结果显示，沉积态试样的S–N曲线斜率较陡，但数据分散性较低；机加工试样尽管表面经仔细抛光，疲劳寿命分散性更大，且其中5个机加工试样在相同应力水平下寿命短于沉积态对应试样。这表明表面粗糙度并非控制疲劳寿命的唯一因素，亚表面缺陷及缺陷形态变化对疲劳响应具有重要影响。
3.2 缺陷表征
断口SEM观察表明，机加工试样疲劳裂纹萌生均与表面交互缺陷相关。缺陷分为气孔、规则未熔合缺陷和浅层不规则未熔合缺陷（shallow irregularly shaped LoF, SILoF）。规则LoF深度可达198 μm，深宽比0.35–1.19，内部截留部分熔融粉末；SILoF深宽比低于0.14，宽而浅，取向垂直于建造方向，无粉末截留。EDS与EBSD分析显示SILoF内部存在Mg富集，且沿熔池边界分布，说明此类缺陷可能与层间熔合不足及Mg相关偏析有关。
3.3 单个和多个萌生
沉积态试样在较高应力下多呈现多个空间分离的裂纹萌生点，且由于表面粗糙度干扰，难以精确识别单一缺陷；机加工试样通常由单个明确的表面暴露缺陷萌生裂纹，包括气孔和LoF缺陷，这些缺陷原位于亚表面，在机加工过程中暴露于表面。
3.4 应力强度因子
通过测量各萌生缺陷的深度a、半宽c和投影面积，利用Ramezani公式计算ΔK。结果显示ΔK与缺陷深宽比之间无直接相关性，表明深宽比不能单独表征缺陷严重性。ΔK与疲劳寿命呈明显反比关系，缺陷较大的试样ΔK可达7–8 MPa√m，对应最短疲劳寿命。对超出解析解适用范围（a/c>2）的缺陷采用保守几何因子0.6333后，过早失效试样仍与其余试样分离，证明ΔK是统一反映缺陷尺寸、形态和表面位置的断裂力学参数。
3.5 表面粗糙度和孔隙率
表面粗糙度测量显示，机加工使Ra从11.061 μm降至0.466 μm，表面质量改善超过20倍。孔隙率分析表明，沉积态试样近表面区孔隙率约2–4%，随深度降低至约1%以下；机加工试样整体孔隙率低于0.5%，但在1200–2000 μm深度存在个别平均孔径超过100–150 μm的大缺陷。最大缺陷尺寸分布显示，沉积态的大缺陷集中在近表面1200 μm范围内，而机加工去除表面层后，内部仍可能保留孤立的大尺寸未熔合缺陷，一旦暴露于表面即成为过早失效的根源。
3.6 沉积态的SIF相关性
对具有可测量缺陷的沉积态试样计算ΔK后发现，只有当假设缺陷深宽比接近1时，其ΔK才与机加工组接近。由于表面粗糙度与缺陷边界相互混淆，沉积态试样的缺陷尺寸测量和ΔK计算存在较大不确定性，因此相关数值应视为估计值。
讨论部分指出，机加工虽然去除了表面粗糙层和近表面高孔隙区，但也可能将原本亚表面的大尺寸浅层不规则未熔合缺陷暴露于表面，这些缺陷产生高局部应力强度，抵消了表面改善的积极效果。因此，疲劳性能由最严重缺陷而非平均缺陷群体控制。从工业角度看，应在服役前采用X射线计算机断层扫描或高分辨率超声等无损检测技术对疲劳关键部件进行筛查。未来工作应结合三维缺陷表征、概率断裂力学与工艺优化，建立可靠的缺陷容限标准。
翻译研究结论部分：本研究调查了增材制造高强度铝合金Al2139的疲劳寿命，特别关注工艺诱导的表面和亚表面缺陷的影响。使用Murakami模型和断裂力学对表面交互半椭圆缺陷进行分析，为当前实验结果提供了经验性解释，揭示了缺陷严重性如何影响疲劳性能，并强调了机加工去除材料过程中产生的表面暴露缺陷的关键影响。机加工增加了将关键亚表面缺陷暴露于表面的可能性，从而促进过早疲劳失效；因此，很大一部分机加工试样表现出比沉积态对应试样更短的疲劳寿命。这种随机行为与机加工组中观察到的大缺陷尺寸分布一致。总的来说，结果表明浅层不规则形状的未熔合缺陷是AM Al2139过早疲劳失效最有害的缺陷类型，因为它们产生最高的局部应力强度因子并一致地促进过早疲劳失效。尽管表面机加工通过去除许多近表面缺陷有效改善了疲劳性能，但其有效性最终受到高应力区域中仍然存在的严重亚表面缺陷的限制。这些发现强调，优化AM Al2139的疲劳性能不仅需要适当的后处理策略，还需要通过改进工艺参数优化和构建质量控制来最大限度地减少制造过程中的缺陷形成。
