不同扫描策略下双激光增材制造Ti-6Al-4V的高周疲劳：表面状态、缺陷与微观组织的影响

《International Journal of Fatigue》：High-cycle fatigue in dual-laser additive manufacturing of Ti-6Al-4V with different scanning strategies: Effects of surface condition, defects and microstructure

　　

摘要
多激光增材制造技术近年来因用于制造大型航空航天部件而受到越来越多的关注。然而，在实际应用中，激光重叠区域可能成为应力集中区或裂纹萌生区。本研究系统地对比了单激光和双激光增材制造样件的力学性能行为。通过优化扫描策略，获得了双向柱状初生β晶粒结构，实现了优异的平面内各向同性和强塑性协同效应，通过SL-PBF实现了超过900 MPa的屈服强度和大于10.5%的伸长率。此外，基于Murakami √area参数的断裂力学准则被用于识别粗糙度控制与孔隙控制的裂纹萌生之间的转变，为确定表面缺陷的临界深度提供了依据。最后，与单一策略相比，通过混合激光扫描策略进一步提高了制造样件的疲劳寿命。本工作为如何优化多激光增材制造部件的综合性能提供了见解。

引言
Ti-6Al-4V合金以其高比强度、优异的耐腐蚀性和生物相容性，已被广泛应用于航空航天、汽车和生物医学领域[1]、[2]、[3]。然而，由于该合金的低导热性和严重的加工硬化，使用传统机械加工方法制造复杂形状部件仍然极具挑战性。为了克服这些局限性，激光粉末床熔融（L-PBF）技术获得了显著的研究关注。通过采用逐层制造方法，L-PBF有效地规避了传统减材制造的约束，如刀具磨损和加工引起的回弹，提供了无与伦比的设计自由度与定制化能力[4]、[5]、[6]。然而，L-PBF过程中固有的极端热条件，包括快速熔凝和冷却速率、陡峭的温度梯度以及复杂的熔池动力学，导致在制造质量、相组成、晶体织构和位错密度方面与传统制造的同类产品存在显著偏差。这些工艺引起的复杂性引发了广泛的研究[7]、[8]、[9]、[10]。然而，由于加工效率和制造体积的固有局限性，单激光系统无法满足航空航天领域对大型部件快速制造的迫切需求。多激光粉末床熔融（ML-PBF）系统的出现有效解决了这一关键瓶颈，目前商用机器已具备多达64个独立激光[11]。为了实现大制造区域，这些系统通常将相邻的单激光加工区域拼接在一起，这不可避免地引入了激光重叠区域。与单激光区域相比，这些重叠区域经历了更复杂的热历史，从而驱动了微观组织、位错密度和孪晶的复杂演变行为[12]、[13]、[14]。有趣的是，重叠区域在单调载荷下力学性能可能并不显著，但在循环载荷下却变得至关重要。基于我们此前的研究，我们证明了双激光制造的Ti-6Al-4V样件的拉伸强度与单激光样件高度可比[15]。这一观察结果得到了现有多激光增材制造文献的有力支持[16]、[17]。此外，虽然静态强度得以保持，但循环力学可靠性因重叠过程中固有的缺陷形成而严重受损。激光重叠区域内的微孔隙充当局部应力集中器，显著促进了疲劳裂纹萌生，并最终降低整体疲劳性能[18]。然而，改变扫描策略不仅改变了孔隙率，同时还决定了微观组织、表面状态、残余应力和缺陷拓扑。迄今为止，这些因素之间的竞争主导地位以及疲劳行为期间控制机制的精确转变点仍有待充分阐明。

为了系统评估孔隙率的有害影响，传统上根据空间分布将缺陷分为表面孔隙和内部孔隙。值得注意的是，表面缺陷表现出更高的裂纹扩展速率和更大的诱发过早疲劳失效的倾向[19]、[20]、[21]。此外，这些缺陷的形态特征进一步决定了其严重程度。通过球形度Φ量化，孔隙传统上被分为高度球形的气孔（Φ ≥ 0.7）和不规则未熔合（LoF）缺陷（Φ < 0.7）。LoF缺陷的尖锐几何端部充当严重的局部应力集中器，使其极易发生疲劳裂纹萌生[22]、[23]。为了减轻此类内部空洞的有害影响，热等静压（HIP）常被用作一种非常有效的后处理手段[24]。除了孔隙率之外，残余应力和表面粗糙度同样是疲劳性能的关键决定因素。具体而言，表面拉伸残余应力促进裂纹萌生并加速裂纹扩展，而通过激光冲击强化等技术引入压缩残余应力可以有效提高疲劳抗力[25]、[26]、[27]。同时，粗糙的成型表面（Ab）天生容易诱发严重的应力集中[28]、[29]。虽然传统机械加工和抛光工艺常被用于提高表面质量，但通过L-PBF制造的复杂结构部件，尤其是具有严格形态要求的蒙皮-晶格结构，对这类减材工艺提出了无法克服的可达性挑战。此外，虽然HIP有效修复了内部空洞，但它无法缓解表面粗糙度，并可能引起精细晶格杆的结构性变形。因此，探索能够在制造过程中直接提高Ab质量的原位优化策略具有至关重要的意义。

为了绕过上述后处理瓶颈，控制激光扫描策略成为一种高度可行的原位替代方案。由于L-PBF过程从根本上由局部激光-粉末相互作用和快速凝固所支配，调节扫描轨迹或工艺参数会直接改变熔池的热动力学[30]。这种原位热管理反过来决定了Ab部件的微观组织演变、缺陷分布和最终力学性能。利用这一机制，先前的研究通过层间旋转成功降低了表面残余应力[31]、[32]、[33]、[34]，并通过调整扫描速度实现了对梯度力学性能的精确控制[35]、[36]。扩展这一范式，我们最近的工作证明了采用组合扫描策略可以有效优化内部微孔隙并定制力学梯度[37]。然而，尽管扫描策略对静态性能和缺陷控制的益处已有充分记录，但其对动态敏感的疲劳性能的具体影响，特别是在激光重叠区域的复杂热环境中，仍未得到充分探索。因此，扫描策略的原位优化是否能提高多激光制造部件的拉伸性能和疲劳抗力，有待系统研究。

据此，本研究系统地研究了扫描策略对单激光（SL）和双激光（DL）样件力学行为的影响。首先，研究评估了Ab样件的静态拉伸性能，探索通过设计双向柱状初生β晶粒来利用固有的微观组织异质性以实现潜在的强塑性协同效应。随后，研究评估了扫描策略和后处理对疲劳性能的耦合作用。在这一阶段，建立了表面粗糙度与内部缺陷尺寸之间的定量关系，以确定主要的疲劳限制因素。最终，提出了一种优化的组合扫描策略，以最大限度地提高制造部件的疲劳抗力。

试样制备
使用商用双激光PBF设备DiMetal 450E打印Ti-6Al-4V合金粉末。图1a展示了DL-PBF过程，其中粉末从粉罐落入铺粉车并填充基板。激光束逐层熔化粉末以构建复杂部件。Ti-6Al-4V合金粉末的详细信息请参阅我们之前的研究[15]。打印前，粉末在真空下120 °C干燥10小时。在构建过程中，基板维持在……

激光重叠区域力学性能中的扫描策略影响
67°层间旋转（R）策略因其已被证实能够有效减轻残余应力并提高Ab部件的整体质量而被广泛采用[34]、[38]、[39]。以此为基准，最初评估了使用R策略制造的单激光和双激光样件的单轴拉伸性能（扫描示意图见图2a和2b）。如图2c所示，双激光样件表现出略高的屈服强度但略……

结论
本研究对比研究了SL-PBF和DL-PBF样件之间的力学性能差异。通过优化扫描策略，实现了强塑性协同效应，成功满足了工业应用的结构要求。此外，还考察了这些扫描策略对单激光和双激光样件高周疲劳（HCF）行为的影响。通过结合不同扫描策略的互补优势，疲劳抗力……

作者协议
我们确认本手稿已为所有作者审阅并批准，且我们的手稿未在其他地方发表，并仅提交贵刊考虑。

CRediT作者贡献声明
李国泰：撰写初稿、可视化、验证、方法论、调查、数据整理、概念化。范雨站：调查、数据整理。胡大俊：撰写审阅与编辑。吴寒：方法论。袁兆阳：调查。严文涛：指导、概念化。余天宇：撰写审阅与编辑、指导、资源、资金获取、概念化。

利益冲突声明
作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢
严文涛感谢A*STAR个人研究项目（M24N7c0082）的资金支持。李国泰感激中国国家留学基金管理委员会项目（编号：202506120095）的支持。

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