本文探討了增材制造鋁合金過程中的各種缺陷，并研究了相關的方法。

摘要

鋁(Al)合金用于增材制造(AM)最近得到了顯著的關注，特別是在航空航天行業(yè)。這導致引入了新的高強度鋁合金，該合金與AM工藝更兼容。然而，在將這些新開發(fā)的鋁合金用于安全關鍵承重應用之前，研究其結構完整性至關重要。本研究調查并比較了通過激光束粉末床熔合（LB-PBF）AM工藝制造的五種不同當代鋁合金的微觀結構、孔隙率和疲勞行為。

本研究用AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357制作垂直和水平構建的試樣，以捕捉構建方向對這些合金結構完整性的任何影響。盡管垂直和水平試樣的微觀/缺陷結構存在差異，但未觀察到AlSi10Mg、Scalmalloy和AD1合金的疲勞行為存在顯著的構建方向依賴性。然而，AlF357和QuesTek Al在高周疲勞狀態(tài)下表現出一些各向異性行為。在所研究的LB-PBF鋁合金中，Scalmalloy和AD1具有最高的疲勞抗力，這歸因于它們的超微細組織。

插圖：圖形摘要

1.介紹

增材制造（AM）正迅速成為一種戰(zhàn)略技術，在國防、航空航天、汽車和生物醫(yī)學等各個行業(yè)產生收入。這些行業(yè)可以從AM的巨大好處中獲得價值，例如制造具有復雜幾何形狀的近凈形狀零件、縮短交付周期、因設計自由而減少部件重量、潛在成本降低以及環(huán)保生產。除了各種優(yōu)勢外，AM技術還面臨許多挑戰(zhàn)。AM工藝獨特的熱歷史（即高冷卻/凝固速率、熱梯度等）通常會導致殘余應力、微觀結構各向異性、表面粗糙度，并導致體積缺陷（例如氣孔和未熔合（LOF））的形成。

上圖顯示了光學應用中生長200mm晶體的模擬溫度和應力分布。雖然溫度分布看起來相當均勻，但熱彈性應力分布顯示了一個非常不同的畫面，高應力集中在晶體邊緣，接近固體/熔體界面。很明顯，當超過臨界應力水平時，這將是位錯成核的有利位置。

盡管缺陷（如表面粗糙度、孔隙和LoF）對靜態(tài)性能的影響可能最小，但這些缺陷會顯著惡化AM零件的疲勞性能。最近的研究報告，缺陷是AM金屬材料疲勞結果分散的來源。工藝誘發(fā)缺陷（即孔隙、LoF）的有害影響不限于AM材料的室溫疲勞行為。在疲勞過程中，Bao等人報告的循環(huán)變形會導致微孔破裂。

目前已經進行了許多研究來研究各種AM金屬材料的疲勞行為；這些工作的大部分集中在鈦合金、不銹鋼和鎳超級合金上。近年來，鋁合金通過AM工藝制造零件引起了廣泛關注。鋁合金以其高強度重量比、足夠的淬透性、良好的耐腐蝕性和優(yōu)異的焊接性而聞名，使其適合廣泛應用，特別是在航空航天工業(yè)。然而，與其他材料相比，鋁合金的AM更具挑戰(zhàn)性；鋁粉顆粒本身重量輕，流動性差，由于鋁的親水性而吸引水分，并且具有高導熱性。此外，鋁粉顆粒極易氧化，其低熔體粘度促進了氣孔的形成。鋁合金制造過程中的此類問題可能導致零件出現缺陷，從而影響其機械性能，尤其是疲勞性能。

如圖，由于“干”二氧化硅(少于1%的水)的主要變化包括粘度增加(增加50%)，硬度降低和高應變模量增加。高粘度和低硬度的結合可能是水合二氧化硅所特有的，需要加以解釋。在這種情況下，包含硅烷偶聯(lián)效應(化合物C)和這三種化合物的掃描電子顯微圖提供了啟示。

與鍛造鋁合金（如AA6061，A7075）相比，鋁硅鑄造合金（如AlSi10Mg）通常更容易通過AM進行加工。有相當多的論文介紹了影響AM AlSi10Mg疲勞性能的各種參數。Jian等人研究了粉末粒度對激光束粉末床熔融（LB-PBF）AlSi10Mg的高周疲勞（HCF）和超高周疲勞（VHCF）行為的影響。結果表明，在非熱處理（NHT）條件下，使用較小的粉末顆?？山档涂紫抖?，從而提高LB-PBF AlSi10Mg的疲勞強度。

Wu等人研究了體積缺陷尺寸和數量以及LoF缺陷相對于加載方向的方向對LB-PBF AlSi10Mg疲勞各向異性行為的影響。與加載方向垂直于構建方向的情況相比，當加載方向平行于構建方向時，報告的延性和疲勞強度較低。這歸因于LoF缺陷在垂直于加載方向的平面上的投影面積大小，當加載方向平行于構建方向時，投影面積更大。

Maskery等人研究了熱處理的效果，并報告了進行T6熱處理(即，520?固溶1h，水淬，然后160?空冷時效6h)可提高LB-PBF AlSi10Mg的延展性和抗疲勞性。此外，Ngnekou等人發(fā)現，t6型熱處理(即在540?C下固溶8h，然后在160?C風冷時效10h)提高了ma材料的抗疲勞性能。結果表明，LB-PBF AlSi10Mg的疲勞性能存在結構取向依賴性。

這與不同構建方向的缺陷特征（即尺寸、形狀、頻率等）以及應用T6型熱處理后材料對缺陷存在的敏感性增加有關。LB-PBF AlSi10Mg的EOS數據表表明，T6型熱處理可能不是該材料的最佳選擇。傳統(tǒng)的T6熱處理對于某些砂型鑄造鋁合金（如AlSi7Mg0.6）來說具有挑戰(zhàn)性，因為可能會形成起泡氫氣孔。因此，EOS建議僅進行應力消除，而非T6熱處理。

超聲波檢測(UT)技術在風電行業(yè)廣泛應用于WT塔架和葉片的結構評估如圖，超聲波傳播特性可以對檢測到的缺陷的位置和類型進行估計，從而為確定渦輪主要部件的材料性能提供了可靠的方法。

文獻中對AM-AlSi7Mg的疲勞行為也有有限的研究；Lesperance等人利用超聲波檢測研究了LB-PBF AlSi7Mg的VHCF行為，并將結果與鑄造A356合金的結果進行了比較，并報告了類似的VHCF行為。另一種AM鋁合金是A357，它是A356合金的改進版，具有更高的強度；雖然有一些關于LB-PBF A357的工藝優(yōu)化和微觀結構表征的研究，但文獻中關于該合金疲勞性能的研究并不多。

在一項研究中，Bassoli等人研究了LB-PBF AlA357在NHT條件下的疲勞行為，并報告了與LB-PBF AlSi10Mg合金類似的疲勞行為。最近，ALP357合金（AlA357合金的無鈹衍生物）也被引入AM社區(qū)。然而，本研究文獻中沒有關于疲勞的數據。

Scalmalloy由空中客車APWorks引入，是最近開發(fā)的AM用鋁合金之一。該合金具有高屈服強度和極限抗拉強度，同時具有可接受的延展性，因為其獨特的微觀結構由納米尺寸的晶粒和納米尺寸的Al3（Sc，Zr）沉淀組成。文獻中只有少數關于Scalmalloy疲勞行為的研究表明，LB-PBF Scalmalloy的疲勞性能優(yōu)于LB-PBF AlSi10Mg。

Muhammad等人最近比較了LB-PBF AlSi10Mg、Scalmalloy和QuesTek Innovations LLC開發(fā)的一種新鋁合金的疲勞性能。他們報告稱，與其他鋁合金相比，Scalmalloy具有更高的抗疲勞性，這歸因于其更高的韌性（即高的抗拉強度和延展性）歸因于其獨特的納米尺寸微觀結構。

雙相不銹鋼熱影響區(qū)組織比較。蝕刻:電解硫酸:(a)舊(低氮)，× 63;(b)現代(高氮)，× 100。焊接冶金在雙相不銹鋼的合金發(fā)展中起著關鍵作用。早期品系碳含量較高，易形成富鐵氧體熱影響區(qū)(HAZ)。盡管這些高碳水平導致了一些奧氏體的重組，但這也導致了碳化物的析出和抗晶間腐蝕(IGC)的損失。后期品系的碳含量較低，但高Cr/Ni比值增強了熱影響區(qū)富鐵素體組織，促進了晶粒的生長。

考慮到AM合金的不斷發(fā)展，特別是Al合金具有不同的微觀組織特征(如晶粒形態(tài)和尺寸、析出相等)，根據美國制造商和ANSI增材制造標準化合作組織（AMSC）編制的AM標準化路線圖，對其疲勞性能 mante進行研究，對于填補FMP1在“材料性能”方面的空白至關重要。根據這一目標，本研究旨在研究某些當代LB-PBF鋁合金疲勞性能中的潛在各向異性，并將其與微觀/缺陷結構（即微觀結構和微觀尺度上的缺陷結構）相關聯(lián)。

由于存在體積缺陷，這些具有不同微觀結構特征（即晶粒結構、沉淀等）且通常具有更好拉伸強度的合金可能具有或可能不具有更好的疲勞性能。此外，已經證明零件經歷的熱歷史在不同的構建方向上是不同的，這可能導致由于缺陷類型、尺寸和總體的變化而導致機械行為的各向異性。因此，有必要對不同構造取向的LB-PBF Al試樣進行數據生成和疲勞性能評價。

本文按以下順序組織：第2節(jié)詳細介紹了材料和方法。第3節(jié)介紹了試驗結果，包括微觀/缺陷結構分析和疲勞數據。第4節(jié)討論了LB-PBF鋁合金的疲勞行為，并將其與微觀/缺陷結構相關聯(lián)。最后，根據本研究中的實驗觀察得出一些結論，并在第5節(jié)中列出。

2.材料和方法

2.1. 鋁合金

在本研究中，使用五種不同的預合金化氣體霧化鋁粉來制備試樣；表1列出了每種合金的化學成分、粉末粒度范圍和粉末制造商，粉末顆粒的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖1所示。但是，為保密起見，未列出AD1的詳細化學成分；AD1是一種新開發(fā)的經熱處理后具有高強度的Al-Mg-Zr合金。AlF357是AlA357和AlA356的一種不含鈹的衍生物，其開發(fā)目的是避免環(huán)境和健康風險，與AlA357合金相比強度略有降低。據報道，QuesTek Al是一種高強度、高耐腐蝕、低成本的合金（因為它不含昂貴的合金元素）。

表1 本研究中使用的鋁粉的化學成分由相應的粉末制造商報告。

圖1 LB-PBF鋁粉顆粒的SEM圖像:(a) AlSi10Mg，(b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al，(d) AD1， (e) AlF357。

2.2. 試樣制作

試樣在氬氣保護下通過LB-PBF工藝EOS M290制備。必須指出的是，EOS推薦的工藝參數用于AlSi10Mg、AD1和AlF357合金，而用于制造Scalmalloy和QuesTek Al的工藝參數不一定是最優(yōu)化的。Scalmalloy使用的工藝參數根據進行了修改，QuesTek InnovationsLLC針對EOS M280建議了QuesTek Al的工藝參數，如表2所示。必須注意的是，為保密起見，未提供其他合金的詳細默認EOS工藝參數。然而，所有合金都采用了類似的條帶掃描策略。

表2 本研究中所研究的每種鋁合金的LB-PBF工藝參數。

垂直試樣直接沉積到構建板上，而水平試樣則在支撐結構頂部制造。構建布局以及粉末擴散和氬氣流動方向如圖2（a）所示。所有試樣在制造后均采用表3所列每種合金的推薦程序進行熱處理。根據制造商的數據表，LB-PBF AlSi10Mg的熱處理程序采用了AlF357，報告為這些合金的最佳熱處理。QuesTek Innovations LLC.和EOS分別建議LB-PBF QuesTek Al和AD1的熱處理程序。

圖2 (a)結構布局圖，以及(b)按照ASTM E606加工疲勞試樣后的最終幾何圖形圖(注意，尺寸為' mm '，所示的結構方向對應于垂直試樣)。

表3 LB-PBF Al試樣后處理采用的熱處理工藝。采用了AlSi10Mg、Scalmalloy和QuesTek鋁合金的熱處理工藝，采用AlF357的熱處理工藝，EOS提出了AD1的熱處理工藝。

對于Scalmalloy合金，應用的熱處理程序已被報告為該合金的最佳熱處理，從而產生最高的抗拉強度和可接受的延展性。熱處理LB-PBF鋁合金的拉伸性能采用文獻中的兩種構建方向（即垂直和水平），并在表4中列出。

表4 LB-PBF Al合金的拉伸性能參考文獻，熱處理工藝如表3所示。請注意，AD1的屬性已由EOS提供。

LB-PBF AlSi10Mg、Scalmalloy和QuesTek Al的熱處理溫度均低于其溶質電離溫度（即450–575攝氏度）。然而，AlF357合金經歷了T6兩階段熱處理，包括溶質化和時效程序。在將試樣從預制板上取下之前進行熱處理，以避免在切割過程中由于殘余應力而變形。采用熱電偶控制的箱式爐在氬氣氣氛下進行熱處理，將構建板從室溫加熱到目標溫度，以避免氧化。熱處理后，將試樣從成型板上切割下來，并按照ASTM E606[43]的要求，進一步加工成圓柱形試樣的最終幾何形狀，以進行疲勞試驗，如圖2（b）所示。

2.3. 微缺陷結構表征

通過電子背散射衍射（EBSD）分析，在平行和垂直于構建方向的平面上對LB-PBF鋁合金的微觀結構進行了表征。在進行EBSD分析之前，對試樣進行切割、研磨和拋光。使用蔡司550橫梁FIB/SEM和牛津EBSD檢測器進行EBSD分析。掃描采用1200倍放大時的步長為μm，使用Oxford的AzTecCrystal軟件對數據進行后處理。使用蔡司XRIDIA 620系統(tǒng)進行X射線CT掃描，以可視化制造零件內的體積缺陷。掃描是在6.5mm長度的機器疲勞試樣的量規(guī)部分的中間進行的。

2.4. 疲勞試驗和斷口分析

單軸完全反轉（Rε=εmin/εmax=?1）應變控制疲勞試驗是根據ASTM E606標準，使用MTS landmark伺服液壓試驗機進行的，該試驗機具有100千牛稱重傳感器。對兩種不同的應變振幅水平0.002進行疲勞試驗毫米/毫米和0.003毫米/毫米。為了控制試驗并測量應變計部分的應變，在兩個涂有丙烯酸涂層的位置將MTS機械伸長計連接到應變計部分，以避免伸長計葉片的任何滑動和劃痕。為確保結果的確定性，在每種材料的每個應變振幅水平上進行了三次試驗。為了研究失效機理，對所選試樣的斷裂面進行了斷口分析。在進行斷口分析之前，對斷口表面進行了超聲波處理和清潔。

3.實驗結果

本節(jié)介紹了所研究LB-PBF鋁合金微觀/缺陷結構和疲勞行為的實驗觀察結果。通過斷口分析研究了這些合金的疲勞失效機理。第4節(jié)進一步討論了這些鋁合金的結構-性能關系。

3.1. LB-PBF鋁合金的顯微組織

熱處理垂直和水平LB-PBF鋁試樣的微觀結構表征結果如圖3所示。該圖中的示意圖顯示了垂直和水平試樣微觀結構特征所在的平面。此處給出的XYZ坐標基于中建議的坐標；構建方向也由平行于Z軸的黑色箭頭顯示。逆極點圖（IPF）貼圖顯示在XY平面（即垂直于構建方向）和XZ平面（即平行于構建方向）上。

圖3 垂直和水平LB-PBF Al試樣的顯微組織以及(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357的IPF組。

垂直試樣的微觀結構顯示在XY和XZ平面上，而水平試樣的微觀結構僅顯示在XZ平面上；由于圓形橫截面，將試樣從構建平臺上移除后，不容易找到水平試樣的精確XY平面（即垂直于構建方向）。平行于X、Y和Z軸的IPF組顯示在相應的貼圖下方，以捕捉晶粒沿不同方向的結晶取向。

不同構建方向的示意圖中也顯示了加載方向。必須注意，垂直試樣的加載方向平行于Z軸（即平行于IPF圖所示晶粒的結晶方向），而水平試樣的加載方向平行于Y軸（即垂直于IPF圖所示晶粒的結晶方向）。因此，為了將加載方向與晶粒的晶體取向相關聯(lián)，應分析垂直試樣平行于Z軸的IPF和水平試樣平行于Y軸的IPF。

3.1.1. 顆粒結構

對于所有LB-PBF鋁合金，即使在進行熱處理后，也可以觀察到AM工藝誘發(fā)的典型晶粒結構，即柱狀晶粒和主要圍繞熔池邊界的等軸晶粒（見圖3）。發(fā)現垂直和水平LB-PBF鋁試樣在XZ平面（即平行于構建方向）上的晶粒結構非常相似。

同樣，XY平面上的晶粒結構（參見圖3中的第一列）預計在垂直和水平試樣中類似，包括在XZ平面上看到的柱狀晶粒的等軸視圖。LB-PBF AlSi10Mg（見圖3（a））的晶粒結構與QuesTek Al（見圖3（c））和AlF357（見圖3（e））合金的晶粒結構相似，主要包括拉長的柱狀晶粒以及XZ平面上熔體池邊界周圍的等軸晶粒和XY平面上的等軸晶粒。

可以看出，與其他合金相比，Scalmalloy（圖3（b））和AD1（圖3（d））具有超細晶粒結構，包括超細/納米尺寸的等軸晶粒以及更細化的柱狀晶粒。然而，LB-PBF AD1合金微觀結構中的等軸晶粒（圖3（d））不限于熔池邊界周圍的區(qū)域，這是Scalmalloy的情況。此外，AD1中的柱狀晶粒似乎比Scalmalloy中的柱狀晶粒更細。這可能是由于Scalmalloy和AD1的化學成分不同，以及用于制造這些合金的工藝參數不同。

值得注意的是，Scalmalloy和AD1微觀結構中的黑色區(qū)域（分別為圖3（b）和（d））歸因于熔體池周圍具有納米尺寸晶粒的區(qū)域，其無法用EBSD掃描所用的步長來表征。LB-PBF Scalmalloy和AD1（Al-Mg-Zr合金）中的超細/納米尺寸等軸晶粒是由于存在一致的納米尺寸Al3Sc和Al3Zr沉淀物形成的，這些沉淀物作為晶粒生長抑制劑以及異質晶粒形核位置。

使用EBSD進行粒度分析，結果如圖4所示。可以看出，垂直和水平試樣之間的粒度沒有差異（標準偏差誤差條也重疊）。LB-PBFScalmalloy和AD1試樣具有幾乎相同的平均晶粒尺寸（注意，納米尺寸晶粒，圖3中IPF圖中的黑色區(qū)域不包括在內），與其他合金相比，其更細。LB-PBF AlSi10Mg、QuesTek Al和AlF357的晶粒尺寸幾乎相似。

圖4 垂直和水平LB-PBF Al試樣的平均晶粒尺寸。標準偏差誤差棒也包括在內。

3.1.2. 晶粒的晶體學取向

總的來說<001> 是立方結構材料（即面心立方（FCC）和體心立方（BCC））中的首選晶粒生長方向，也是大多數AM材料在非熱處理（NHT）條件下的著名晶粒取向之一。這主要是由于高冷卻速率和朝向構建平臺的傳導熱傳遞導致外延晶粒生長。

LB-PBF鋁合金晶粒的結晶取向平行于構建方向，可從圖3中的IPF//Z軸觀察到。可以看出，AlSi10Mg（圖3（a）中的垂直和水平）和Scalmalloy（圖3（b）中的垂直和水平）具有<001> 首選晶粒取向，而QuesTekAl（圖3（c）中的垂直和水平）和AD1（圖3（d）中的垂直和水平）中的晶粒幾乎是隨機取向的。對于AlF357合金（圖3（e）），垂直試樣的<001>-定向晶粒，而水平試樣幾乎具有隨機定向晶粒，且紋理較弱（即垂直試樣的強度為2.57，而水平試樣的強度為1.8）。

必須注意的是，對AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al和AD1進行的熱處理低于溶質化溫度，被視為應力消除熱處理，預計不會改變晶粒的晶體結構。因此，晶粒的晶體取向仍然是從制造過程中繼承的。然而，據報道，高熱量輸入，換句話說，較低的冷卻/凝固速率，可能會在制造過程中改變晶粒的晶體取向。然而，對于AlF357合金，晶粒的晶體取向和織構強度可能受到所采用的熱處理程序的影響（即，先溶解，然后時效）。

3.2. LB-PBF鋁合金的缺陷結構

圖5顯示了垂直和水平LB-PBF鋁試樣計量截面中6.5 mm長X 5 mm直徑體積的X射線CT掃描結果和缺陷密度（即缺陷的累積體積百分比）。從圖5可以看出，與垂直試樣相比，AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al和AlF357合金的水平試樣具有更高水平的體積缺陷。這可能歸因于垂直和水平試樣經歷的熱歷史變化。

圖5 X射線CT結果來自疲勞試樣的尺寸截面上6.5 mm長X 5mm直徑的體積，顯示垂直和水平LB-PBF Al試樣的孔隙率:(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357。統(tǒng)計結果見(f)。

然而，垂直和水平Scalmalloy和AD1試樣的缺陷密度變化較??；這可歸因于這些合金的熱性能（例如，熱擴散率、熱導率）。據報道，與Al-Si合金系統(tǒng)相比，Al-Mg-Zr合金具有較低的熱擴散率，因此導熱系數約低約30%。這種較低的熱導率可能是垂直方向和水平方向之間的缺陷密度變化比其他合金小的原因（見圖5）。

對于Scalmalloy也報告了類似的相對較低的導熱系數（比Al-Si合金低約30%）。然而，必須考慮的是，用于制造Scalmalloy的工藝參數不一定是最優(yōu)化的，這導致這些試樣中的孔隙率較高。同時，與AlSi10MgQuesTek Al和AlF357相比，垂直和水平Scalmalloy試樣之間的缺陷密度變化較小。

根據圖5（f）所示的結果，AlSi10Mg和AD1合金最有可能具有最佳工藝參數，因為與其他鋁合金相比，它們的缺陷密度要小得多。雖然使用了優(yōu)化的工藝參數，但在AlF357中觀察到高缺陷密度，這可能是由于其高導熱性。此外，通過進行T6熱處理，AlF357中的孔隙率可能已增加。

Devanti等人報告了LB-PBF AlA357合金經過T6熱處理后體積缺陷的形成甚至擴大，該合金與AlF357非常相似。必須注意的是，QuesTek Al試樣中的高缺陷密度歸因于這樣一個事實，即用于該合金的工藝參數不一定是最優(yōu)化的。然而，Muhammad等人報告了LB-PBF QuesTek al和Scalmalloy的可接受疲勞行為，其制造工藝參數與本研究中使用的工藝參數類似。

垂直和水平LB-PBF鋁試樣的體積缺陷尺寸分布如圖6所示。體積缺陷通過總掃描體積進行歸一化。值得一提的是，在本研究中掃描的所有LB-PBF鋁試樣中均觀察到氣體滯留孔和LoF缺陷。然而，為了簡單和比較，在本研究中，對于氣體截留孔隙或LOF，缺陷的等效球形體積的直徑被視為體積缺陷的大小。

圖6 (a)垂直和(b)水平LB-PBF Al試樣的體積缺陷尺寸分布。

可以看到，在所有的鋁合金中，大多數缺陷的尺寸范圍為[20?30)μm(注意，本研究中沒有考慮小于20μm的缺陷)，特別是Scalmalloy、QuesTek Al和ALF357。然而，疲勞裂紋傾向于從較大的缺陷開始。從圖6(a)可以看出，垂直試樣中Scalmalloy和AlF357的缺陷大于40μm，而掃描的QuesTek和AD1試樣沒有任何大于40μm的缺陷。

AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357掃描試樣的最大缺陷尺寸分別為41、49、36、35、58μm。對于圖6(b)所示的水平試樣，雖然所有掃描試樣均存在大于40μm的缺陷，但QuesTek Al和AlF357的缺陷較大。AlSi10Mg、Scal malloy、QuesTek Al、AD1和AlF357水平掃描試樣的最大缺陷尺寸分別為46、51、47、47、49μm。

3.3.循環(huán)變形和疲勞行為

圖7顯示了從LB-PBF鋁合金的單軸完全反向應變控制疲勞試驗中獲得的穩(wěn)定應力-應變遲滯回線。在0.002下進行的試驗的遲滯回線毫米/毫米和0.003垂直和水平構建方向分別顯示了mm/mm應變振幅。對于0.002下的疲勞試驗mm/mm應變幅度（見圖7（a）），除AlSi10Mg外，所有LB-PBF鋁合金在垂直和水平構建方向上均表現出彈性行為。

圖7 在(a) 0.002 mm/mm應變幅值和(b) 0.003 mm/mm應變幅值下，完全反向應變控制的LB-PBF Al試樣恒幅疲勞試驗的穩(wěn)定滯回線。

這是因為0.002處的應力響應mm/mm應變振幅遠低于表4中列出Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357的屈服強度。然而，AlSi10Mg在該應變振幅水平下的應力響應（即0.002mm/mm）接近其屈服強度（見表4），導致輕微塑性變形。

對于0.003下的疲勞試驗mm/mm應變幅度（見圖7（b））、LB-PBF Scalmalloy、QuesTek Al和AD1表現出彈性行為，而AlSi10Mg和AlF357合金表現出塑性變形?？梢钥闯?，AlSi10Mg的塑性變形量高于AlF357。此外，與垂直試樣相比，水平試樣中AlSi10Mg和AlF357的塑性變形略高。這可歸因于垂直和水平試樣中晶粒相對于加載方向的結晶取向。

表5列出了不同構建方向的LB-PBF鋁合金的疲勞結果，圖8繪制了每個合金在垂直和水平構建方向的應變-壽命疲勞數據?？梢钥闯?，LB-PBF AlSi10Mg（圖8（a））和AlF357（圖8（e））的垂直和水平試樣之間的疲勞性能變化不大。對于高強度合金（見表4）；i、 例如，Scalmalloy、QuesTek Al和AD1，雖然在較高應變幅度下沒有太大變化，但在較低應變幅度0.002下，疲勞壽命存在一些分散性毫米/毫米（見圖8（b）-（d））。

表5 本研究獲得的LB-PBF Al合金單軸全反向應變控制疲勞數據，以及每個試件的裂紋引發(fā)缺陷的信息(即尺寸、類型和位置)。

圖8垂直和水平LB-PBF Al試樣的應變壽命疲勞比較:(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357。

可以看出，在0.002 mm/mm應變幅值下，AlSi10Mg(圖8(a))和AlF357(圖8(e))的垂直和水平試件均未出現107次反轉(在本研究中視為跳變)。當應變幅值為0.002mm/mm時，垂向試樣的疲勞壽命較短;3個垂直試樣中有2個未達到跳動，而3個水平QuesTek Al試樣的逆轉次數均超過107次。

對于Scalmalloy(圖8(b))、一個水平試樣和AD1(圖8(d))，一個垂直試樣在107次反轉前失效，而其他所有垂直和水平試樣在0.002 mm/mm應變幅值時均達到跳動。LB-PBF Scalmalloy、quest stek Al和AD1合金疲勞壽命的分散可能是由于其相對較高的強度使其在循環(huán)載荷下更容易受到缺陷的影響。

來源：microstructure, porosity, and fatigue behavior，Additive Manufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2021.102292

參考文獻：X. Zhang, E. Liang，metal additive manufacturing in aircraft: current application, opportunities and challenges，IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 493 (2019), Article 012032