鄒田春，陳敏英，祝 賀

(中國民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300)

0 引 言

與傳統(tǒng)的加工制造技術(shù)相比，增材制造具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、材料利用率高、不受結(jié)構(gòu)和材料限制等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。增材制造成形過程中存在非平衡溫度場、速度場、應(yīng)力場等，導(dǎo)致該技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)與性能調(diào)控復(fù)雜，但因其成形件的力學(xué)性能優(yōu)于鑄件，甚至超過鍛件，從而被國家自然科學(xué)基金委員會(huì)認(rèn)為是20世紀(jì)制造業(yè)的重大創(chuàng)新技術(shù)之一，并成為我國制造強(qiáng)國戰(zhàn)略行動(dòng)綱領(lǐng)中的關(guān)鍵技術(shù)[5-7]。

近年來，激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM)是增材制造技術(shù)中發(fā)展最快、關(guān)注度最高的技術(shù)之一，已實(shí)現(xiàn)鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼以及高溫合金等金屬零部件的制造[8-10]。鋁合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，其中Al-Si合金是常用的鑄造鋁合金，可滿足現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的需求，是航空航天領(lǐng)域的熱門材料之一[11]。但因鋁合金粉末具有較高的激光反射率，成形后產(chǎn)生的粗糙表面和缺陷易導(dǎo)致裂紋形成和應(yīng)力集中，從而影響成形件的疲勞性能[12-15]?；谏鲜霈F(xiàn)狀，國內(nèi)外研究學(xué)者從顯微組織、缺陷等方面研究了SLM成形Al-Si合金的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特的顯微組織和隨機(jī)分散的缺陷導(dǎo)致其疲勞性能與傳統(tǒng)加工工藝不同，且疲勞壽命的離散性更大[16-20]。因此，研究SLM成形Al-Si合金顯微組織和表面狀態(tài)與疲勞性能之間的內(nèi)在聯(lián)系以及高周疲勞斷裂機(jī)理對(duì)SLM成形Al-Si合金零部件實(shí)現(xiàn)完全的工程應(yīng)用十分重要。作者綜述了國內(nèi)外有關(guān)SLM成形Al-Si合金高周疲勞性能的研究現(xiàn)狀，分析了SLM成形方向、成形參數(shù)、熱處理、表面處理等對(duì)SLM成形Al-Si合金高周疲勞性能的影響規(guī)律及機(jī)制，總結(jié)了其高周疲勞斷裂機(jī)理及其斷裂特點(diǎn)，并展望了未來SLM成形Al-Si合金疲勞性能的重點(diǎn)研究方向和內(nèi)容。

1 SLM基本原理及特點(diǎn)

SLM成形過程在成形腔內(nèi)進(jìn)行，惰性保護(hù)氣體由進(jìn)氣口充入成形腔，以降低腔內(nèi)氧含量來提高成形質(zhì)量。按照零件的三維實(shí)體模型提前設(shè)計(jì)好切片模型，將各截面的輪廓數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)規(guī)劃成形路徑，以光纖激光器為能量源，通過掃描振鏡控制激光的掃描路徑，每完成一層掃描，進(jìn)行一次粉末鋪層，掃描后的粉末經(jīng)熔化、凝固的過程逐漸堆疊，最終成形三維實(shí)體零件[21-22]，成形原理如圖1所示。

SLM成形技術(shù)的特點(diǎn)在于可制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、致密度高、表面質(zhì)量較好的零件，具有生產(chǎn)工序少、制造成本低的特點(diǎn)，但是SLM技術(shù)受尺寸限制，暫時(shí)無法成形大型零件，并且由于層厚和激光光斑直徑的限制導(dǎo)致成形效率較低[23-25]。SLM成形過程可通過成形參數(shù)(激光功率、掃描速度、掃描間距和層厚等)進(jìn)行控制，成形參數(shù)對(duì)成形零件的質(zhì)量有很大影響，進(jìn)而影響零件的疲勞性能[26-27]。但對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的零件，通常需對(duì)SLM成形件進(jìn)行后處理，其中熱處理可改善顯微組織和內(nèi)部缺陷，表面處理可提高零件的表面質(zhì)量，從而提高零件的疲勞性能。

2 高周疲勞性能的影響因素

SLM成形Al-Si合金的高周疲勞性能影響因素可分為內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)部因素指成形件顯微組織、內(nèi)部缺陷、表面狀態(tài)等因素，外部因素是指疲勞試驗(yàn)的循環(huán)應(yīng)力比、載荷和環(huán)境等因素。作者從內(nèi)部因素方面分別分析和總結(jié)了成形方向、成形參數(shù)、熱處理和表面處理對(duì)疲勞性能的影響規(guī)律及機(jī)制。

2.1 成形方向

SLM成形鋁合金組織受成形方向的影響具有明顯的各向異性，因此其性能必然存在各向異性。成形方向?qū)Τ练e態(tài)和熱處理態(tài)SLM成形Al-Si合金疲勞性能的影響不同。

對(duì)于SLM成形AlSi10Mg合金沉積態(tài)試樣，平行于基板方向成形試樣的疲勞強(qiáng)度高于z方向(垂直于基板方向)，即使在改變掃描間距的條件下，試樣的疲勞性能仍滿足此規(guī)律[28-31]。ZHAO等[32]研究發(fā)現(xiàn)，平行于和垂直于基板方向SLM成形AlSi12Mg合金的疲勞強(qiáng)度無明顯差異，但在最大應(yīng)力140 MPa下，平行于基板方向成形試樣的疲勞壽命略大于z方向成形試樣，且疲勞壽命達(dá)106周次。這是因?yàn)榭紫痘蛭慈刍勰┑热毕葜饕赟LM成形件層間形成，這些缺陷減少了z方向的有效承載面積，并導(dǎo)致應(yīng)力集中，疲勞裂紋平行于基板方向萌生與擴(kuò)展，從而導(dǎo)致z方向成形試樣的疲勞壽命較短。TANG等[28]研究發(fā)現(xiàn)，平行于基板方向SLM成形AlSi10Mg合金經(jīng)300 ℃×2 h的消除應(yīng)力熱處理后，其疲勞強(qiáng)度仍大于沿z方向成形的，這是因?yàn)槠叫杏诨宸较虺尚卧嚇泳哂懈〉娜毕菝娣e。NGNEKOU等[29]研究發(fā)現(xiàn)，平行于和垂直于基板方向SLM成形AlSi10Mg合金沉積態(tài)試樣的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)，這是因?yàn)榇藭r(shí)疲勞極限主要受缺陷尺寸控制，經(jīng)T6熱處理(540 ℃×8 h固溶，水淬，自然時(shí)效)后，峰值硬化處理導(dǎo)致成形件平行于和垂直于基板方向之間的各向異性效應(yīng)顯著，因此z方向成形試樣疲勞強(qiáng)度大于平行于基板方向成形試樣。BRANDL等[30]研究發(fā)現(xiàn)，沿不同方向SLM成形AlSi10Mg合金經(jīng)T6熱處理(525 ℃×6 h固溶，水淬，165 ℃×7 h時(shí)效)后，疲勞強(qiáng)度相當(dāng)，且均大于沉積態(tài)試樣的，這是因?yàn)闊崽幚砗蟪尚渭娘@微組織均勻分布，顯微組織中的網(wǎng)狀硅結(jié)構(gòu)消失，硅顆粒粗化成球狀，不同成形方向之間的組織差異不明顯，導(dǎo)致疲勞性能趨于一致。

BEEVERS等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力比為-1，平均應(yīng)力為120 MPa條件下，平行于和垂直于基板方向SLM成形AlSi10Mg合金沉積態(tài)試樣的疲勞壽命分別為16.977×106，5.981×106周次，熱處理態(tài)試樣的疲勞壽命分別為0.054 4×106，0.034 1×106周次，與沉積態(tài)試樣相比，成形方向?qū)崽幚響B(tài)試樣的疲勞性能影響很小，但此時(shí)熱處理態(tài)試樣的疲勞強(qiáng)度均低于沉積態(tài)的，與文獻(xiàn)[30]中的結(jié)果不同，這可能是與熱處理?xiàng)l件和疲勞試驗(yàn)條件的不同有關(guān)。在基板溫度較低時(shí)，成形方向?qū)LM成形Al-Si合金沉積態(tài)試樣疲勞性能的影響較大，但在基板達(dá)到一定溫度(如300 ℃)時(shí)，成形方向?qū)ζ谛阅軒缀鯖]有影響[30]。

2.2 成形參數(shù)

SLM成形參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、掃描間距和層厚，成形參數(shù)不匹配會(huì)導(dǎo)致熔池溫度場不均衡，溫度梯度較大，使得成形件中產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力，并在冷卻凝固后形成殘余應(yīng)力，從而影響成形件內(nèi)部缺陷數(shù)量、尺寸以及位置分布，進(jìn)而影響成形件的疲勞性能[33]。研究[13,34-35]發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致SLM成形Al-Si合金疲勞失效的缺陷主要為表面或次表面的孔隙和氧化夾雜物，且次表面的大尺寸氣孔對(duì)疲勞性能尤其不利。隨著組織中孔隙率的增加，SLM成形Al-Si合金的疲勞壽命顯著下降[3]。AWD等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力幅較低(90 MPa)的條件下，SLM成形AlSi12合金組織中孔隙直徑對(duì)疲勞壽命的影響較明顯，且孔隙越靠近表面，其失效概率越大。適中的掃描速度、相對(duì)較小的掃描間距和層厚可以成形致密度接近100%的SLM成形Al-Si合金，降低成形件的缺陷數(shù)量可提高其疲勞性能。

WANG等[3]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光掃描速度從700 mm·s-1增加到1 000 mm·s-1時(shí)，SLM成形AlSi10Mg合金中的孔隙率和孔徑顯著降低，應(yīng)力比0.2，平均應(yīng)力160 MPa條件下的疲勞壽命由0.017 8×106周次增加至0.061 5×106周次；當(dāng)掃描速度從1 000 mm·s-1提高到1 300 mm·s-1時(shí)，輸入的激光能量降低，層間或掃描軌跡間的部分金屬粉末無法完全熔合而形成不規(guī)則孔隙，孔隙率增加，疲勞壽命由0.061 5×106周次降至0.050 8×106周次。研究[28]發(fā)現(xiàn)，平行于和垂直于基板方向SLM成形Al-Si合金的疲勞壽命與掃描間距(0.160.22 mm)均成反比關(guān)系，且平行于基板方向成形試樣的疲勞壽命大于z方向成形試樣，這是因?yàn)閽呙栝g距決定了相鄰熔池間的搭接率，掃描間距越小，搭接率越高，多次熔化可減少組織中孔隙和氧化物數(shù)量，降低裂紋擴(kuò)展速度，從而提高成形件的疲勞壽命。BEEVERS等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力比為-1，最大應(yīng)力為120 MPa條件下，當(dāng)層厚為30 μm時(shí)，SLM成形AlSi10Mg合金的疲勞壽命均超過20×106周次(未拉斷)，當(dāng)層厚增加至90 μm時(shí)，成形件內(nèi)部缺陷數(shù)量明顯增多，疲勞壽命下降到5.98×106周次。

2.3 熱處理

經(jīng)過T6熱處理后，SLM成形Al-Si合金的組織變粗大，硅從基體中析出形成顆粒狀硅，且熱處理時(shí)間越長，析出的顆粒越粗大，掃描軌跡逐漸消除，顯微組織逐漸均勻化[30,37-39]。與沉積態(tài)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相比，熱處理態(tài)SLM成形Al-Si合金的組織會(huì)影響內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的路徑和速率。近年來，大量學(xué)者研究了應(yīng)力釋放處理、固溶處理、T6熱處理和熱等靜壓處理等不同熱處理對(duì)SLM成形Al-Si合金疲勞性能的影響。

研究[30,37]發(fā)現(xiàn)，T6熱處理后SLM成形AlSi10Mg合金中硅析出形成顆粒狀硅相，熱影響區(qū)和激光掃描軌跡消失，組織均勻，合金的疲勞強(qiáng)度提高。T6熱處理可將平行于基板方向成形合金的疲勞強(qiáng)度提高20%左右，z方向成形合金的疲勞強(qiáng)度提高45%以上[29]。相比于沉積態(tài)Al-Si合金，T6熱處理態(tài)Al-Si合金的孔隙率略高，但延展性的提高、殘余應(yīng)力的消除和顯微組織中硅顆粒的析出等抵消了孔隙率的不利影響，并延長了裂紋擴(kuò)展階段的壽命，進(jìn)而提高了合金整體的疲勞壽命[38,40]。ZHANG等[41]研究發(fā)現(xiàn)，在沉積態(tài)與不同熱處理(應(yīng)力釋放處理、固溶處理、T6熱處理)態(tài)SLM成形AlSi10Mg合金中，沉積態(tài)合金的疲勞強(qiáng)度最高，這是由沉積態(tài)合金具有連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)合金抵抗裂紋擴(kuò)展的能力所致，固溶處理態(tài)合金的疲勞強(qiáng)度最低，這是因?yàn)楣倘芴幚硎购辖鸾M織中枝晶硅斷裂成顆粒硅，斷裂和粗化的硅顆粒導(dǎo)致疲勞性能下降。UZAN等[42]研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱等靜壓處理溫度的提高，SLM成形AlSi10Mg合金的疲勞極限降低，這是因?yàn)闊岬褥o壓處理破壞了組織中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致疲勞性能下降。通過改變加熱溫度和加熱時(shí)間，優(yōu)化熱處理?xiàng)l件，可避免微觀結(jié)構(gòu)的變化，減少對(duì)SLM成形Al-Si合金疲勞性能的負(fù)面影響[43]。

2.4 表面處理

沉積態(tài)SLM成形AlSi10Mg合金較大的表面粗糙度會(huì)影響合金的疲勞性能[38,40]，常用機(jī)械拋光、噴丸、噴砂和攪拌摩擦加工等方法均可降低表面粗糙度。ABOULKHAIR等[40]研究發(fā)現(xiàn)，拋光后的SLM成形AlSi10Mg合金在低應(yīng)力水平(最大應(yīng)力小于150 MPa)下的疲勞壽命提高，在高應(yīng)力水平(最大應(yīng)力大于157 MPa)下的疲勞壽命無明顯變化，這可能是因?yàn)樵诘蛻?yīng)力水平下裂紋萌生起主導(dǎo)作用，在高應(yīng)力下裂紋擴(kuò)展起主導(dǎo)作用，而拋光產(chǎn)生的粗糙度變化對(duì)疲勞裂紋萌生的影響更大。拋光可提高SLM成形AlSi10Mg合金的抗腐蝕疲勞性能，拋光處理通過降低表面粗糙度，減少由點(diǎn)蝕引起的局部腐蝕和裂紋的方式來提高合金的腐蝕疲勞強(qiáng)度[44]。UZAN等[45]研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過鑄鋼丸和陶瓷丸兩種噴丸處理后，SLM成形AlSi10Mg合金的疲勞強(qiáng)度均大于沉積態(tài)合金，且兩種噴丸處理對(duì)合金疲勞性能的影響程度相當(dāng)；噴丸處理后的合金再經(jīng)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械拋光和電化學(xué)拋光處理，可去除厚度為25～30 μm的表面材料，顯著降低表面粗糙度，提高合金的疲勞強(qiáng)度。BAGHERIFARD等[37]研究發(fā)現(xiàn)，噴丸處理和噴砂處理均可降低SLM成形AlSi10Mg合金的表面粗糙度，提高疲勞強(qiáng)度，但噴砂處理后的合金表面具有明顯較寬的表面凹痕，而噴丸處理后合金具有更規(guī)則的表面狀態(tài)，且噴砂處理后合金的疲勞強(qiáng)度比沉積態(tài)試樣提高了246%，而噴丸處理試樣提高了270%，因此噴丸處理的效果更佳。BEEVERS等[31]研究了振動(dòng)拋光和噴砂對(duì)SLM成形AlSi10Mg合金疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)：振動(dòng)拋光后30 μm層厚制備得到的合金在最大應(yīng)力為120 MPa下的疲勞壽命大于噴砂后的疲勞壽命；噴砂處理后90 μm層厚制備得到合金的疲勞壽命明顯大于沉積態(tài)合金的疲勞壽命。 研究[46-48]發(fā)現(xiàn)：經(jīng)攪拌摩擦加工后SLM成形Al-Si合金表面組織均勻化，且在最大應(yīng)力為250 MPa下，攪拌摩擦加工合金的疲勞壽命約為沉積態(tài)合金的2個(gè)數(shù)量級(jí)以上；攪拌摩擦加工處理不僅可以降低合金的孔隙率，消除疲勞裂紋萌生部位的缺陷，還可消除熱影響區(qū)，減輕組織不均勻性導(dǎo)致的熔池邊界處的應(yīng)變局部化程度，從而提高合金的疲勞性能。

3 高周疲勞斷裂機(jī)理

在SLM成形Al-Si合金表面或次表面處的氣孔、氧化物和夾雜物等缺陷會(huì)使合金出現(xiàn)不連續(xù)表面而產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起部分區(qū)域發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致初始疲勞裂紋萌生[15,41]。TANG等[28]研究發(fā)現(xiàn)，SLM成形AlSi10Mg合金的疲勞裂紋主要在表面或次表面的孔隙和夾雜物處萌生并擴(kuò)展，其中夾雜物主要為硅顆粒和未熔化鋁粉。疲勞裂紋擴(kuò)展階段是占整個(gè)疲勞壽命最長的階段，該階段主要受試樣組織的影響[15]。隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋沿垂直于單軸加載方向的主方向快速擴(kuò)展，在加載初期其擴(kuò)展速率十分緩慢，而在即將斷裂的裂紋擴(kuò)展后期其擴(kuò)展速率越來越快，最終導(dǎo)致試樣斷裂[3]。疲勞壽命與疲勞裂紋長度呈正相關(guān)，說明疲勞壽命主要由疲勞裂紋擴(kuò)展的時(shí)間決定；除主裂紋外，試樣內(nèi)部還存在于其他缺陷處萌生的微裂紋，從而加速了裂紋擴(kuò)展，并降低了疲勞壽命[3]。SLM成形AlSi7Mg合金疲勞斷口中的瞬斷區(qū)由疲勞條紋、大量解理面和部分韌窩組成，表明該合金具有脆性斷裂和韌性斷裂的特點(diǎn)[49]。經(jīng)固溶處理和T6熱處理后，AlSi10Mg合金疲勞斷口的韌性斷裂特征更加明顯，而沉積態(tài)合金和應(yīng)力釋放處理態(tài)合金疲勞斷口中則無明顯韌窩存在，為脆性斷裂特征[41]。對(duì)比沉積態(tài)和T6熱處理態(tài)AlSi10Mg合金疲勞斷口發(fā)現(xiàn)，熱處理態(tài)合金疲勞斷口中出現(xiàn)了多個(gè)裂紋擴(kuò)展路徑，且韌性特征更加明顯[38]。由上可知，沉積態(tài)SLM成形Al-Si合金的疲勞斷口基本光滑，存在少量的韌窩，同時(shí)具有脆性斷裂與韌性斷裂特征，表現(xiàn)為混合斷裂，但熱處理態(tài)合金疲勞斷口中存在較多韌窩，斷裂形式為韌性斷裂。

4 結(jié)束語

隨著SLM成形技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員對(duì)SLM成形Al-Si合金的疲勞性能開展了大量的研究工作，并在成形方向、成形參數(shù)、熱處理、表面處理對(duì)SLM成形Al-Si合金高周疲勞性能的影響等方面獲得了一定的研究成果。在成形過程中，通過選取較小的掃描間距和層厚、適中的掃描速度，以及沿z方向成形，可明顯改善SLM成形Al-Si合金的顯微組織和缺陷的數(shù)量及其分布，從而提高合金的高周疲勞性能。表面處理可在一定程度上降低合金表面粗糙度，提高合金的疲勞性能，但大部分熱處理方法會(huì)破壞組織中可抵抗裂紋擴(kuò)展的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而降低其疲勞性能。

目前，有關(guān)SLM成形Al-Si合金高周疲勞性能的研究主要集中在工藝參數(shù)方面，但工藝參數(shù)對(duì)調(diào)控不同材料的疲勞性能研究還不夠系統(tǒng)，對(duì)其顯微組織和疲勞性能之間的具體影響機(jī)制研究不夠深入。有關(guān)熱處理方面的研究相對(duì)較少，未來需要對(duì)合適的熱處理?xiàng)l件進(jìn)行更全面探索，研究不同熱處理方式及其相關(guān)條件對(duì)SLM成形Al-Si合金組織和高周疲勞性能的影響規(guī)律。目前對(duì)SLM成形Al-Si合金的疲勞斷裂機(jī)理仍處于定性描述階段，缺乏能夠用于預(yù)測疲勞壽命的相關(guān)數(shù)據(jù)及模型，因此未來需要對(duì)合金內(nèi)部具體缺陷形成的微觀機(jī)理、組織結(jié)構(gòu)受力演化的機(jī)理和疲勞斷裂機(jī)理等進(jìn)行更具體的研究，從而探索出提高SLM成形Al-Si合金高周疲勞性能的具體方法。