增材制造(AM)的金属零件在航空航天、汽车和医疗等细分市场中是必需的,因为增材技术具有设计自由度和缩短上市时间,尤其是此类技术允许定制植入物的非批量生产,而无需大量额外成本。为了强有力地促进增材技术的不断拓展,需要对增材制造材料的力学性能有透彻的了解。德国联邦材料研究与测试研究所 (BAM) Uwe Zerbst教授,联合欧美增材制造领域研究人员,共同撰写了增材制造材料专论《Damage tolerant design of additively manufactured metallic components subjected to cyclic loading: State of the art and challenges》,发表在最近一期的Progress in Materials Science。专论着重于AM技术固有的工艺参数,产生的缺陷和残余应力。针对增材制造材料的基本概念进行了界定,并划定了相应的产业标准:耐损伤部件设计标准;确定疲劳和断裂性能的标准;根据不同制造条件确定疲劳寿命的策略;微观结构和缺陷的定量表征方法;测定残余应力的方法;缺陷和残余应力对疲劳寿命和性能的影响。图为材料疲劳裂纹的扩展。以适应AM,特别是激光粉末中存在的特定微观组织结构(晶粒大小和形状,晶体纹理)和缺陷分布(空间排列,大小,形状,数量,融合),图为增材制造过程中,影响残余应力的相关工艺参数。目前,我们仍然缺乏晶体缺陷的细致分类,以及与损伤容限相对应的晶体形状和尺寸的量化。完全互连的AM零件的组件设计,损伤和失效标准决定了AM 加工部件中残余应力大小和模式的参数。图为L-PBF 加工的 Ti6Al4V 裂纹面上的残余应力分布。为此,晶体缺陷的3D表征非常重要,因为AM中的缺陷形状多种多样,并且与常规生产的组件相比,以不同的方式影响疲劳寿命。这对解决AM零件的疲劳寿命的确定方法产生了直接的影响。图为不同无损检测技术在空间分辨率和缺陷潜在位置方面的比较。
在增材制造技术时,传统材料常发生的失效行为,主要源于其特殊的微观结构和晶体缺陷分布。事实上,由于其特定的晶体结构、缺陷数量、分布和类型、表面粗糙度,传统金属合金(如 Ti6Al4V、316L、IN718)可以通过掺杂技术变成了 AM 合金。所有这些事实都要求设计师和材料科学家之间进行更密切的合作,增材技术制造 AM 需要以全球合作共赢的方式解决问题,从而更全面地思考材料的完整性,用以开发新的制造工艺。(文:XLY)。
文献链接:https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100786