顶刊综述《PMS》IF=31.56：删材造制金属缺陷

导读：克日，美国托莱多大学机器、产业和制造工程学系AliFatemi传授在国际顶级质料综述期刊Progress in Materials Science上（IF=31.56）颁发金属增材制造缺陷及其与委顿相干的综述，论文标题Defects in additive manufactured metals and their effect on fatigue performance: A state-of-the-art review。本综述回忆了有关影响AM零件委顿性能的微观布局，重点是孕育发生的缺陷，以及工艺参数和后处置惩罚对缺陷的影响，和是以而引起的委顿性能。 该综述还包罗文献中提出的基于缺陷的，对微观布局敏感的多标准模子，用于对缺陷对委顿性能的影响举行建模，并为必要举行的其他研究提供了远景。

论文链接：http://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100724

增材制造（AM）是一种要领，通过该要领可以通过增材制造工艺来创建零件，而传统的减材工艺则与此相反。这些技能起首针对快速原型设计以帮助设计历程。随着更先辈技能的显现，所制造零件的性能得以改进，可以餍足种种产业用途的盼望。这些工艺现在可以使用金属、陶瓷、生物工程构造和种种聚合物作为质料。

与传统制造的零件相比，AM零件表现出更精致的微观布局，这导致相对较好的静态强度。别的，因为缺陷在静态载荷下的影响不大，而在轮回载荷下的影响较小，是以零件通常餍足产业用拉伸性能的尺度和范例。另一方面，金属AM委顿性能受缺陷存在的影响很大。必要举行全面研究以研究AM缺陷的特性以及在动态载荷条件下包罗缺陷的AM组件的运行。为了到达所需的可靠性程度，大概必要在雷同于事情条件的情况中举行高本钱的全面测试。

然而，金属AM零件包罗多种缺陷，比方在焊缝中也有熔合不敷（LOF）缺陷，粉末冶金中有未熔颗粒和在铸件中检测到的气孔。在制造历程中，金属AM零件中累积的渣滓应力也大概会引起裂纹，并导致变形。因为委顿裂纹通常始于应力会合，比方孔隙和混合物，是以这些缺陷对AM组件的委顿寿命有紧张影响，而且是造成次要委顿的要害身分金属AM零件与铸造零件的性能。这些缺陷还会促进局部腐化打击，从而刺激委顿裂纹。

加工和后加工计谋通过转变微观布局和缺陷，进而影响质料对现出缺陷的敏感性，从而影响金属增材制造零件的委顿性能。应优化AM历程以改进AM零件的委顿性能。旨在改进委顿性能的重要属性是渣滓应力，外貌粗糙度，内部缺陷和微观布局。纵然在一个具有庞大多少形状的大型组件中，终极的微观布局和缺陷含量的改变也大概会显现，这重要是因为历程中差别位置的温度梯度改变和传热参数所致。是以，对付金属增材制造零件，仍旧大概必要举行后处置惩罚以消除拉伸渣滓应力，实现匀称的微观布局和缺陷含量，以及委顿性能所需的可靠性。

图1。依据累积和能量输入要领对金属增材制造的差别历程举行分类的流程图。

图2。AM Ti-6Al-4V合金中的缺陷及其作为委顿裂纹的存在的例子：（a）夹带气体引起的靠近圆形孔，（b）圆形气体孔引起的委顿裂纹，（c） SLM Ti-6Al-4V中的钥匙孔，（d）SLM Ti-6Al-4V中的焊缝，（e）和（f）LOF缺陷，这是因为未熔化的粉末颗粒凝结不敷引起的颗粒，（g）LOF缺陷引起的委顿裂纹萌生，（h）SLM Ti-6Al-4V样品中的纷歧致和成球征象，（i）和（j）α相引起的委顿裂纹萌生。

图3。SLM工艺参数对总孔隙率（2D和3D丈量）的影响取决于（a）扫描速率v，（b）舱口间隔h，（c）激光功率P和（d）聚焦间隔F。

图4。三种差别能量密度的缺陷的2D和3D表现。第一行中的2D图代表与平行于构建偏向或垂直于层的制造样品的抛光截面。

图5。（a）粉末的初始气体含量是PBF金属AM中形成孔隙的紧张泉源，（b）转变束的功率和速率可以转变零件中缺陷的范例和密度，（c）种种层厚度和暗影线间距值可以创建差别的缺陷布局。

图6。（a）L-PBF Inconel 718标本在外貌状态[101]时的外貌表面和相干的表现参数，（b）Ti-6Al-4V AM250构建外貌的抛光截面的近外貌地区利用Keyence VHX-6000数字显微镜捕捉的样品，（c）EBM Ti-6Al-4V零件的粗糙外貌的SEM图，以及（d）同步辐射显微成像，辨别率为1.5μm从L-PBF Ti-6Al-4V零件的外貌开始。

图7。（a）SEM图和孔中未熔融粉末的图示，（b）未熔融粉末对CT孔检测的影响

图8。12mm×10mm外貌积的2D阐发和1000μm3 vol的3D阐发以及SLM Ti-6Al-4V样品的孔隙率对200 W激光功率的扫描速率和光斑尺寸的依靠性，连结其他参数稳定：2D效果（a，b）和3D效果（c，d）。

图9。不规章形状的缺陷的有用尺寸（虚线）：（a）不规章形状的内部缺陷，（b）不规章形状的外貌缺陷，（c）与外貌相互作用的不规章形状的内部缺陷，（d）与相邻的两个缺陷相互作用，（e）与外貌打仗的倾斜缺陷。

图10。（a）在SLM 316 L样品中发觉的缺陷的形状因数（球形）漫衍，（b）利用Ti-6Al-4V软件从微CT效果中网络的缺陷的纵横比（AR）与球形度可视化AM250和M290退火样品。

图11。（a）从EBM Ti-6Al-4V沉积样品中得到的μCT数据的缺陷直径漫衍。给出了样品高度各部门的数据，（b）SLM Ti-6Al-4V样品，此中横截面被分别的环形地区。通过整顿几张光学显微照片得到图像，（c）比力金相查验和CT扫描在差别条件下对SLM Ti-6Al-4V样品测得的孔隙率。

图12。思量到体积V g，将采样计谋应用于CT扫描：（a）为块最大值采样界说的子体积，（b）可视化POT样品中凌驾的位置和体积

图13。对付L-PBF Ti-6Al-4V，在几种应力程度下，委顿寿命与测得的R a的平方根之间的相干性：（a）R= -1载荷，（b）R = 0.1载荷。

图14。孔径对EBM Ti-6Al-4V委顿寿命的影响。SN曲线仅表现那些因孔隙而失效的样品。的巨细和标志的颜色指示的巨细孔隙可以通过面积√A的平方根给出Ñ从断裂面的SEM图测定

图15。具有差别结构偏向的铸造和L-PBF HIP Ti-6Al-4V机器加工的外貌管状样品的全反向轴向委顿试验的叠加效果

图16。PBF Ti-6Al-4V在300 MPa应力振幅下的委顿寿命与均匀要害缺陷尺寸之间的干系。（a）R = -1载荷，实体数据点来自扭转弯曲共同，（b）R = 0.1载荷

图17。在同相轴向旋转载荷下，在机加工外貌退火试样上的内部裂纹归并的代表，（a）试样自由外貌表现了裂纹路径，（b）试样断裂外貌表现了裂纹路径中大缺陷的奉献和归并。