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前言

《JOM》杂志近日刊登了美国学者发表的关于增材制造的最新研究文章《Additive Manufacturing Bulk Parameter’s Influence on Surface Roughness, Microstructure, and Fatigue（增材制造体积参数对表面粗糙度、微结构和疲劳的影响）影响）” ，相关论文链接如下。

增材制造 (AM) 提供了制造复杂几何形状的能力，其中材料与组件同时创建。 通常，假设体参数中的激光功率和速度影响内部微观结构和孔隙率，而轮廓参数控制表面粗糙度。 然而，在这项工作中，在制造轴向疲劳试样时改变了整体工艺参数，从而改变了微观结构。 但是，表面也会受到影响，因为体积会使轮廓过度熔化以控制表面粗糙度。 轴向疲劳试验结果表明，表面粗糙度仍然是总寿命的主导因素，对疲劳萌生有显着影响，而不同的微观结构对疲劳增长寿命影响不大。 了解加工-结构-性能-性能关系在增材制造中至关重要。 但是，这些关系必须包括参数集之间的相互作用，例如体积参数对表面粗糙度的影响以及由此产生的对疲劳失效机制的影响。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s11837-023-05779-6

文本

众所周知，表面粗糙度是影响部件在循环载荷条件下寿命的驱动因素。 由于打印增材制造 (AM) 部件的表面非常粗糙，这种效果通常会被激光粉末床熔合 (PBF-LB) 制造的部件放大。 通常，此类零件经过抛光或后处理以减轻这种表面效应。 然而，这些表面精加工工艺在许多实际应用中可能无法实现，例如涡轮叶片的内部冷却通道或热交换器的核心。 因此，就疲劳寿命而言，增材制造并不是一种可行的打印件制造方法。

增材制造对于为各种应用创建复杂设计非常有用； 但是，它确实有一些方面会给零件带来缺陷，尤其是那些设计复杂的零件。 添加剂零件往往具有粗糙的表面和复杂的微观结构，这会影响零件性能。 虽然疲劳主要受表面粗糙度的影响，但它也受到微观结构的影响，微观结构在很大程度上取决于加工参数、零件内的位置以及零件本身的尺寸。

合金 718 (718) 的标称成分为 50–55Ni、17–21Cr、4.8–5.5Nb、2.8–3.0Mo、0.65–1.15Ti、1Co 和 0.2–0.8Al（重量百分比），余量为铁。 这种合金的强度主要来自沉淀硬化粗糙度影响，通常用于需要高温强度和抗蠕变性以及抗热腐蚀性能的应用。 显微组织主要由fccγ基体和大量增强材料碳化物相和金属间相（γ'Ni3(Al,Ti,Nb)、γ″Ni3Nb和(Nb,Ti)(C,N)）和无用相组成[Laves(Ni,Fe,Cr)2(Nb,Mo),Ti), δNi3(Nb,Ti), and σCrFe).8 在 PBF-LB 后热处理过程中，相干的 γ' 和 γ″ 相通常析出。 718 中的主要强化元素是铌，它赋予合金在高温下的强度，使其成为涡轮叶片或热交换器的优良材料。 它还具有非常好的可焊性，这使得通过 AM 生产零件变得容易。

由于 PBF-LB 的性质，复杂的热循环、激光功率的增加和不同的冷却速率可能会产生复杂的微观结构。 例如，由于冷却速度较慢，较小尺寸的样品往往比较大的样品具有较粗的晶粒。 同样，增加激光功率会产生更粗的晶粒。 复杂的热循环，如构建板附近的材料所见，也可以增加该区域的显微硬度值，这可以提供对晶粒尺寸的洞察力。 一般来说，较低的显微硬度值是较大晶粒的结果，反之亦然。 因此，显微硬度图可以揭示增材部件内的不均匀微观结构。 合金元素的分布也受冷却速度和激光功率增加的影响。 铌是 718 中的强化合金成分，在 PBF-LB 期间趋向于 Laves 相。 由于 718 的脆性，该相通常被认为对 718 有害，并且往往更精细地分散在低功率样品中。

在 AM 中，通常使用轮廓和体积激光扫描的组合来创建图层。 轮廓扫描本质上是层几何形状的轮廓，并且已被证明会强烈影响增材制造零件的表面粗糙度。 当轮廓扫描跟踪零件的外表面时，这些参数的变化将导致熔池沿表面的尺寸发生变化。 结果是表面特征尺寸的差异，或者换句话说，表面粗糙度的差异。 13 然而，整体扫描会熔化每一层的内部区域。 因此，批量扫描有望对增材制造零件的微观结构产生更大的影响。

表面粗糙度可以使用标准化的表面指标进行量化。 文献中常用两种类型的表面粗糙度指标。 第一种类型称为线测量，使用样品表面上一条线上的 Z 方向高度。 这些类型的测量通常用于研究，因为它们相对快速且易于获得； 然而，增材制造样品的表面在单个样品中可能会有很大差异。 因此，线测量不太可能包括表面上实际存在的整个数据范围。 另一种类型的表面测量称为面积测量。 此处，Z 方向高度数据是在样品表面内的较大区域上测量的。 这种测量方法比线测量花费的时间要长得多； 但是，它捕获了更多的表面数据，并且更有可能包括在 AM 表面中看到的数据范围。

一些常用的用于量化表面粗糙度的面积表面指标是平均粗糙度 (Sa) 和最大谷深 (Sv)。 平均粗糙度表示表面高度值的算术平均值，通常报告为表示表面粗糙度。 最大谷深也是一个有用的指标，因为它表示表面最大凹口的深度。 这对于最大缺口可能在循环载荷条件下引发裂纹的疲劳应用很重要。

这项工作调查了体积参数对轴向疲劳寿命的影响。 通常预计体积参数会改变微观结构和孔隙率，而轮廓参数会控制表面粗糙度。 然而粗糙度影响，本文的表面分析表明，体积功率的增加导致轮廓扫描过度熔化，因此体积参数也会影响表面粗糙度。 合规性方法用于将疲劳寿命的开始和增长贡献与表面粗糙度和微观结构对总寿命的贡献联系起来。 结果突出了考虑一个参数集的变化对通常由另一个参数集优化的特征的相互作用的重要性。

图 1. 用于增材制造的试样几何形状。

综上所述：

众所周知，体积参数会影响增材制造样品的微观结构和孔隙率。 然而，散装加工参数也被证明会影响 AM 样品的表面粗糙度，因为当功率增加时，散装材料通过轮廓区域过度熔化。 由于这种过度熔化和增加的表面粗糙度，疲劳寿命也会受到影响。 具体来说，初始寿命似乎受到激光功率变化的影响，这是由于组件表面粗糙度的变化。 总体参数变化似乎对样品的生长寿命没有显着影响。

这些结果为质量和剖面参数的相互作用提供了宝贵的见解，可用于指导未来的参数开发计划。 在制造完整零件时，零件几何形状的变化也会导致型材过度熔化并缩短疲劳寿命。 在开发中必须同时考虑体积和轮廓参数，因为每个参数的变化都会影响另一个和整体机械性能。

本文由魔方整理，元宝发布