邹田春,陈敏英,祝 贺(中国民航大学安全科学与工程学院,天津300300)

摘 要:激光选区熔化(SLM)成形是近年来发展最快的增材制造技术之一,在航空航天、汽车和医学等领域应用广泛。但铝合金粉末具有流动性差、激光反射率高以及热导率高等特点,导致SLM 成形件表面粗糙,易形成缺陷,从而影响其疲劳性能。结合国内外对SLM成形Al-Si合金高周疲劳性能的研究现状,综述了成形方向、成形参数、热处理和表面处理对成形件高周疲劳性能的影响及高周疲劳断裂机理,总结了改善疲劳性能的方法,展望了未来SLM成形Al-Si合金疲劳性能的研究重点。

关键词:激光选区熔化;Al-Si合金;疲劳性能;影响因素;断裂机理中图分类号:TG113.25+5 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)11-0091-06

0 引 言

与传统的加工制造技术相比,增材制造具有可设计性强、材料利用率高、不受结构和材料限制等优点,在航空航天、生物医学、汽车等领域得到广泛应用[1-4]。增材制造成形过程中存在非平衡温度场、速度场、应力场等,导致该技术的工艺设计与性能调控复杂,但因其成形件的力学性能优于铸件,甚至超过锻件,从而被国家自然科学基金委员会认为是20世纪制造业的重大创新技术之一,并成为我国制造强国战略行动纲领中的关键技术[5-7]。近年来,激光选区熔化技术 (SelectiveLaserMelting,SLM)是增材制造技术中发展最快、关注度最高的技术之一,已实现铝合金、钛合金、高强度钢以及高温合金等金属零部件的制造[8-10]。铝合金具有比强度高、耐腐蚀性好等优点,其中 Al-Si合金是常用的铸造铝合金,可满足现代高新技术发展的需求,是航空航天领域的热门材料之一[11]。但因铝合金粉末具有较高的激光反射率,成形后产生的粗糙表面和缺陷易导致裂纹形成和应力集中,从而影响成形件的疲劳性能[12-15]。基于上述现状,国内外研究学者从显微组织、缺陷等方面研究了SLM 成形Al-Si合金的疲劳性能,发现其独特的显微组织和随机分散的缺陷导致其疲劳性能与传统加工工艺不同,且疲劳寿命的离散性更大[16-20]。因此,研究SLM 成形 Al-Si合金显微组织和表面状态与疲劳性能之间的内在联系以及高周疲劳断裂机理对SLM 成形 Al-Si合金零部件实现完全的工程应用十分重要。作者综述了国内外有关SLM 成形Al-Si合金高周疲劳性能的研究现状,分析了SLM 成形方向、成形参数、热处理、表面处理等对SLM 成形Al-Si合金高周疲劳性能的影响规律及机制,总结了其高周疲劳断裂机理及其断裂特点,并展望了未来SLM 成形 Al-Si合金疲劳性能的重点研究方向和内容。

1 SLM 基本原理及特点

SLM 成形过程在成形腔内进行,惰性保护气体由进气口充入成形腔,以降低腔内氧含量来提高成形质量。按照零件的三维实体模型提前设计好切片模型,将各截面的轮廓数据输入计算机规划成形路径,以光纤激光器为能量源,通过扫描振镜控制激光的扫描路径,每完成一层扫描,进行一次粉末铺层,扫描后的粉末经熔化、凝固的过程逐渐堆叠,最终成形三维实体零件[21-22],成形原理如图1所示。SLM 成形技术的特点在于可制造出结构复杂、致密度高、表面质量较好的零件,具有生产工序少、制造成本低的特点,但是SLM 技术受尺寸限制,暂时无法成形大型零件,并且由于层厚和激光光斑直径的限制导致成形效率较低[23-25]。SLM 成形过程可通过成形参数(激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等)进行控制,成形参数对成形零件的质量有很大影响,进而影响零件的疲劳性能[26-27]。但对于实际应用的零件,通常需对SLM 成形件进行后处理,其中热处理可改善显微组织和内部缺陷,表面处理可提高零件的表面质量,从而提高零件的疲劳性能。

2 高周疲劳性能的影响因素

SLM 成形 Al-Si合金的高周疲劳性能影响因素可分为内部因素和外部因素,内部因素指成形件显微组织、内部缺陷、表面状态等因素,外部因素是指疲劳试验的循环应力比、载荷和环境等因素。作者从内部因素方面分别分析和总结了成形方向、成形参数、热处理和表面处理对疲劳性能的影响规律及机制。

2.1 成形方向

SLM 成形铝合金组织受成形方向的影响具有明显的各向异性,因此其性能必然存在各向异性。成形方向对沉积态和热处理态SLM 成形 Al-Si合金疲劳性能的影响不同。对于SLM 成形 AlSi10Mg合金沉积态试样,平行于基板方向成形试样的疲劳强度高于z 方向(垂直于基板方向),即使在改变扫描间距的条件下,试样的疲劳性能仍满足此规律[28-31]。ZHAO 等[32]研究发 现,平 行 于 和 垂 直 于 基 板 方 向 SLM 成 形AlSi12Mg合金的疲劳强度无明显差异,但在最大应力140MPa下,平行于基板方向成形试样的疲劳寿命略大于z方向成形试样,且疲劳寿命达106 周次。这是因为孔隙或未熔化粉末等缺陷主要在SLM 成形件层间形成,这些缺陷减少了z方向的有效承载面积,并导致应力集中,疲劳裂纹平行于基板方向萌生与扩展,从而导致z 方向成形试样的疲劳寿命较短。TANG等[28]研究发现,平行于基板方向SLM 成形 AlSi10Mg合金经300℃×2h的消除应力热处理后,其疲劳强度仍大于沿z 方向成形的,这是因为平行于基板方向成形试样具有更小的缺陷面积。NGNEKOU 等[29]研究发现,平行于和垂直于基板方向SLM 成形 AlSi10Mg合金沉积态试样的疲劳强度相当,这是因为此时疲劳极限主要受缺陷尺寸控制,经 T6热处理(540 ℃×8h固溶,水淬,自然时效)后,峰值硬化处理导致成形件平行于和垂直于基板方向之间的各向异性效应显著,因此z方向成形试样疲劳强度大于平行于基板方向成形试样。BRANDL等[30]研究发现,沿不同方向SLM成形 AlSi10Mg合金经 T6热处理(525℃×6h固溶,水淬,165℃×7h时效)后,疲劳强度相当,且均大于沉积态试样的,这是因为热处理后成形件的显微组织均匀分布,显微组织中的网状硅结构消失,硅颗粒粗化成球状,不同成形方向之间的组织差异不明显,导致疲劳性能趋于一致。BEEVERS等[31]研究发现,在应力比为-1,平均应力为120MPa条件下,平行于和垂直于基板方向SLM 成形 AlSi10Mg合金沉积态试样的疲劳寿命分别为16.977×106,5.981×106 周次,热处理态试样的疲劳寿命分别为0.0544×106,0.0341×106周次,与沉积态试样相比,成形方向对热处理态试样的疲劳性能影响很小,但此时热处理态试样的疲劳强度均低于沉积态的,与文献[30]中的结果不同,这可能是与热处理条件和疲劳试验条件的不同有关。在基板温度较低时,成形方向对SLM 成形 Al-Si合金沉积态试样疲劳性能的影响较大,但在基板达到一定温度(如300℃)时,成形方向对疲劳性能几乎没有影响[30]。

2.2 成形参数

SLM 成形参数主要包括激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚,成形参数不匹配会导致熔池温度场不均衡,温度梯度较大,使得成形件中产生较高的热应力或内应力,并在冷却凝固后形成残余应力,从而影响成形件内部缺陷数量、尺寸以及位置分布,进而影响成形件的疲劳性能[33]。研究[13,34-35]发现,导致SLM 成形 Al-Si合金疲劳失效的缺陷主要为表面或次表面的孔隙和氧化夹杂物,且次表面的大尺寸气孔对疲劳性能尤其不利。随着组织中孔隙率的增加,SLM成形 Al-Si合金的疲劳寿命显著下降[3]。AWD 等[36]研究发现,在应力幅较低(90MPa)的条件下,SLM 成形 AlSi12合金组织中孔隙直径对疲劳寿命的影响较明显,且孔隙越靠近表面,其失效概率越大。适中的扫描速度、相对较小的扫描间距和层厚可以成形致密度接近100%的SLM 成形Al-Si合金,降低成形件的缺陷数量可提高其疲劳性能。WANG 等[3]研 究 发 现:当 激 光 扫 描 速 度 从700mm·s-1增加到1000mm·s-1时,SLM 成形AlSi10Mg合金中的孔隙率和孔径显著降低,应力比0.2,平均应力160 MPa条件下的疲劳寿命由0.0178×106 周次增加至0.0615×106 周次;当扫描速度从1000mm·s-1提高到1300mm·s-1时,输入的激光能量降低,层间或扫描轨迹间的部分金属粉末无法完全熔合而形成不规则孔隙,孔隙率增加,疲劳寿命由0.0615×106 周次降至0.0508×106 周次。研究[28]发现,平行于和垂直于基板方向SLM 成形 Al-Si合金的疲劳寿命与扫描间距(0.16~0.22mm)均成反比关系,且平行于基板方向成形试样的疲劳寿命大于z 方向成形试样,这是因为扫描间距决定了相邻熔池间的搭接率,扫描间距越小,搭接率越高,多次熔化可减少组织中孔隙和氧化物数量,降低裂纹扩展速度,从而提高成形件的疲劳寿命。BEEVERS等[31]研究发现,在应力比为-1,最大应力为120 MPa条件下,当层厚为30μm 时,SLM 成形 AlSi10Mg合金的疲劳寿命均超过20×106 周次(未拉断),当层厚增加至90μm 时,成形件内部缺陷数量明显增多,疲劳寿命下降到5.98×106周次。

2.3 热处理

经过T6热处理后,SLM 成形 Al-Si合金的组织变粗大,硅从基体中析出形成颗粒状硅,且热处理时间越长,析出的颗粒越粗大,扫描轨迹逐渐消除,显微组织逐渐均匀化[30,37-39]。与沉积态的网状结构相比,热处理态SLM 成形 Al-Si合金的组织会影响内部裂纹扩展的路径和速率。近年来,大量学者研究了应力释放处理、固溶处理、T6热处理和热等静压处理等不同热处理对SLM 成形 Al-Si合金疲劳性能的影响。研 究[30,37] 发 现,T6 热 处 理 后 SLM 成 形AlSi10Mg合金中硅析出形成颗粒状硅相,热影响区和激光扫描轨迹消失,组织均匀,合金的疲劳强度提高。T6热处理可将平行于基板方向成形合金的疲劳强度提高20%左右,z 方向成形合金的疲劳强度提高45%以上[29]。相比于沉积态 Al-Si合金,T6热处理态 Al-Si合金的孔隙率略高,但延展性的提高、残余应力的消除和显微组织中硅颗粒的析出等抵消了孔隙率的不利影响,并延长了裂纹扩展阶段的寿命,进而提高了合金整体的疲劳寿命[38,40]。ZHANG等[41]研究发现,在沉积态与不同热处理(应力释放处理、固溶处理、T6热处理)态SLM 成形 AlSi10Mg合金中,沉积态合金的疲劳强度最高,这是由沉积态合金具有连续的网状结构,可增强合金抵抗裂纹扩展的能力所致,固溶处理态合金的疲劳强度最低,这是因为固溶处理使合金组织中枝晶硅断裂成颗粒硅,断裂和粗化的硅颗粒导致疲劳性能下降。UZAN等[42]研究发现,随着热等静压处理温度的提高,SLM成形AlSi10Mg合金的疲劳极限降低,这是因为热等静压处理破坏了组织中的网状结构,导致疲劳性能下降。通过改变加热温度和加热时间,优化热处理条件,可避免微观结构的变化,减少对SLM成形Al-Si合金疲劳性能的负面影响[43]。

2.4 表面处理

沉积态SLM 成形 AlSi10Mg合金较大的表面粗糙度会影响合金的疲劳性能[38,40],常用机械抛光、喷丸、喷砂和搅拌摩擦加工等方法均可降低表面粗糙度。ABOULKHAIR 等[40]研究发现,抛光后的SLM 成形 AlSi10Mg合金在低应力水平(最大应力小于150MPa)下的疲劳寿命提高,在高应力水平(最大应力大于157MPa)下的疲劳寿命无明显变化,这可能是因为在低应力水平下裂纹萌生起主导作用,在高应力下裂纹扩展起主导作用,而抛光产生的粗糙度变化对疲劳裂纹萌生的影响更大。抛光可提高SLM 成形 AlSi10Mg合金的抗腐蚀疲劳性能,抛光处理通过降低表面粗糙度,减少由点蚀引起的局部腐蚀和裂纹的方式来提高合金的腐蚀疲劳强度[44]。UZAN 等[45]研究发现:经过铸钢丸和陶瓷丸两种喷丸处理后,SLM 成形 AlSi10Mg合金的疲劳强度均大于沉积态合金,且两种喷丸处理对合金疲劳性能的影响程度相当;喷丸处理后的合金再经适当的机械抛光和电化学抛光处理,可去除厚度为25~30μm的表面材料,显著降低表面粗糙度,提高合金的疲劳强度。BAGHERIFARD 等[37]研究发现,喷 丸 处 理 和 喷 砂 处 理 均 可 降 低 SLM 成 形AlSi10Mg合金的表面粗糙度,提高疲劳强度,但喷砂处理后的合金表面具有明显较宽的表面凹痕,而喷丸处理后合金具有更规则的表面状态,且喷砂处理后合金的疲劳强度比沉积态试样提高了246%,而喷丸处理试样提高了270%,因此喷丸处理的效果更佳。BEEVERS等[31]研究了振动抛光和喷砂对SLM 成形 AlSi10Mg合金疲劳性能的影响,发现:振动抛光后30μm层厚制备得到的合金在最大应力为120MPa下的疲劳寿命大于喷砂后的疲劳寿命;喷砂处理后90μm层厚制备得到合金的疲劳寿命明显大于沉积态合金的疲劳寿命。研究[46-48]发现:经搅拌摩擦加工后SLM 成形 Al-Si合金表面组织均匀化,且在最大应力为250MPa下,搅拌摩擦加工合金的疲劳寿命约为沉积态合金的2个数量级以上;搅拌摩擦加工处理不仅可以降低合金的孔隙率,消除疲劳裂纹萌生部位的缺陷,还可消除热影响区,减轻组织不均匀性导致的熔池边界处的应变局部化程度,从而提高合金的疲劳性能。3 高周疲劳断裂机理在SLM 成形 Al-Si合金表面或次表面处的气孔、氧化物和夹杂物等缺陷会使合金出现不连续表面而产生应力集中,引起部分区域发生塑性变形,从而导致初始疲劳裂纹萌生[15,41]。TANG等[28]研究发现,SLM 成形 AlSi10Mg合金的疲劳裂纹主要在表面或次表面的孔隙和夹杂物处萌生并扩展,其中夹杂物主要为硅颗粒和未熔化铝粉。疲劳裂纹扩展阶段是占整个疲劳寿命最长的阶段,该阶段主要受试样组织的影响[15]。随着疲劳循环次数的增加,裂纹沿垂直于单轴加载方向的主方向快速扩展,在加载初期其扩展速率十分缓慢,而在即将断裂的裂纹扩展后期其扩展速率越来越快,最终导致试样断裂[3]。疲劳寿命与疲劳裂纹长度呈正相关,说明疲劳寿命主要由疲劳裂纹扩展的时间决定;除主裂纹外,试样内部还存在于其他缺陷处萌生的微裂纹,从而加速了裂纹扩展,并降低了疲劳寿命[3]。SLM 成形 AlSi7Mg合金疲劳断口中的瞬断区由疲劳条纹、大量解理面和部分韧窝组成,表明该合金具有脆性断裂和韧性断裂的特点[49]。经固溶处理和T6热处理后,AlSi10Mg合金疲劳断口的韧性断裂特征更加明显,而沉积态合金和应力释放处理态合金疲劳断口中则无明显韧窝存在,为脆性断裂特征[41]。对比沉积态和 T6热处理态 AlSi10Mg合金疲劳断口发现,热处理态合金疲劳断口中出现了多个裂纹扩展路径,且韧性特征更加明显[38]。由上可知,沉积态SLM 成形 Al-Si合金的疲劳断口基本光滑,存在少量的韧窝,同时具有脆性断裂与韧性断裂特征,表现为混合断裂,但热处理态合金疲劳断口中存在较多韧窝,断裂形式为韧性断裂。

4 结束语

随着SLM 成形技术的不断发展,研究人员对SLM 成形 Al-Si合金的疲劳性能开展了大量的研究工作,并在成形方向、成形参数、热处理、表面处理对SLM 成形 Al-Si合金高周疲劳性能的影响等方面获得了一定的研究成果。在成形过程中,通过选取较小的扫描间距和层厚、适中的扫描速度,以及沿z方向成形,可明显改善SLM 成形 Al-Si合金的显微组织和缺陷的数量及其分布,从而提高合金的高周疲劳性能。表面处理可在一定程度上降低合金表面粗糙度,提高合金的疲劳性能,但大部分热处理方法会破坏组织中可抵抗裂纹扩展的网状结构,从而降低其疲劳性能。目前,有关SLM 成形 Al-Si合金高周疲劳性能的研究主要集中在工艺参数方面,但工艺参数对调控不同材料的疲劳性能研究还不够系统,对其显微组织和疲劳性能之间的具体影响机制研究不够深入。有关热处理方面的研究相对较少,未来需要对合适的热处理条件进行更全面探索,研究不同热处理方式及其相关条件对SLM 成形 Al-Si合金组织和高周疲劳性能的影响规律。目前对 SLM 成形Al-Si合金的疲劳断裂机理仍处于定性描述阶段,缺乏能够用于预测疲劳寿命的相关数据及模型,因此未来需要对合金内部具体缺陷形成的微观机理、组织结构受力演化的机理和疲劳断裂机理等进行更具体的研究,从而探索出提高SLM 成形 Al-Si合金高周疲劳性能的具体方法。

来源：材料与测试网