鈦合金由于其低密度、耐腐蝕、高強度、高硬度等特點，已在航空航天、特殊體育器械和石油化工等領域得到廣泛應用[1-2]。激光增材制造技術可以通過逐層沉積的方式，實現復雜結構零部件的快速成形，其工藝過程簡單，生產制造周期短，目前已在鈦合金零部件的制造上得到應用，并成為增材制造領域的研究熱點之一[3-6]。

疲勞一直是材料面臨的主要服役問題之一。與傳統工藝制造材料相同，增材制造材料同樣面臨腐蝕疲勞斷裂的問題[7-8]。目前已有學者對增材制造 TC4 鈦合金的疲勞性能進行了研究，發現影響其疲勞性能的因素眾多。Eric 等[9]認為激光增材制造形成的表面應力集中會顯著降低材料的疲勞性能，他們提出可通過表面機械研磨來提高疲勞強度，但材料的內部缺陷（未完全熔化的粉末、氣孔缺陷等）仍然會導致材料的疲勞性能不穩定。此外，增材制造形成的各向異性也會導致 TC4 鈦合金橫向和縱向疲勞性能存在明顯的不均勻性，并且橫向試樣的疲勞極限通常比縱向的低，這種差異與材料內部的微觀結構及殘余應力分布不均勻有關[10]。后熱處理工藝也會對增材制造 TC4 的疲勞裂紋擴展行為產生影響，Leuders 等[11]研究發現，后熱處理引起的微觀組織改變會影響疲勞裂紋擴展的第一階段，第二和第三階段則主要受外部應力的影響 。 C h e r n 等 [ 1 2 ] 總 結 了 工 藝 參 數 及 后 處 理 對電子束增材制造 TC4 鈦合金疲勞性能影響的研究現狀。Sterling 等[13]對制備態和熱處理態的直接能量沉積 TC4 合金的低周疲勞行為進行了研究，發現缺乏塑性是樣品低周疲勞壽命較低的主要原因。Benedetti等[14]研究了選區激光熔化 TC4 合金的低周疲勞行為，也發現了類似的結論。從以上研究可以看出，目前針對增材制造鈦合金疲勞性能的研究主要集中在制造缺陷及微觀組織對疲勞性能的影響方面，很少關注不同外載荷下材料的疲勞裂紋擴展行為。

為此，本文針對激光直接沉積制造的 TC4 鈦合金，采用緊湊拉伸（CT）試樣，進行了不同應力比下的疲勞裂紋擴展實驗，采用 Paris 公式對裂紋擴展速率進行了擬合，并在掃描電鏡下對斷口形貌進行了分析，研究了不同應力比下激光直接沉積制造的TC4鈦合金的疲勞裂紋擴展行為。

1 、實驗

采用工業級 TC4 鈦合金粉末為原材料，粉末由氣霧化法制備，其主要化學成分如表 1 所示。粉末的形貌和尺寸如圖 1 所示。從圖 1a 可以看出，粉末呈球形，且未發生明顯的團聚。采用激光粒度儀測得的粉末粒徑分布情況如圖 1b 所示，粉末粒徑主要為20~60μm，平均粒徑為 36.5μm。

激光直接沉積設備型號為 RC-LDM8060，試樣的成形示意圖如圖 2a 所示。設備采用同軸送粉方法，即激光和粉末同時從噴嘴發出，在基板上熔化并凝固沉積成所需試樣，保護氣體為 99.999%的高純氬氣，在成形過程中保持氧的質量分數低于 50×10^?6。激光的掃描策略如圖 2b 所示，即在當前層掃描結束后，旋轉 90°進行下一層掃描。具體的沉積參數如下：激光功率為 900 W，光斑直徑為 2mm，掃描速度為300 m/min，送粉速度為 5 g/min，掃描間距為 1mm，層厚為 0.5mm。采用上述沉積工藝，制備出尺寸為80mm×80mm×20mm 的塊體試樣，并對試樣進行去應力退火處理。

在 Tescan Clara 掃描電鏡下通過電子背散射衍射儀（EBSD）、背散射電子成像儀（BSE）和能量色散譜儀（EDS）對退火后試樣的微觀組織進行分析。通過電火花加工方法對試樣進行切割，然后依次使用400#~5000#砂紙進行打磨，最后再依次通過金剛石懸濁液和氧化硅懸濁液進行拋光，清洗并烘干后進行微觀組織分析。

按照圖 3 所示的試樣尺寸，采用電火花加工方法將去應力退火處理后的材料加工成緊湊型拉伸（CT）試樣。其中，保持機加工缺口的開口方向與沉積方向相同。試樣寬度 b 為 50mm，厚度 δ 為 5mm，初始裂紋長度 l0 為 10mm。為減少表面粗糙度對實驗結果帶來的干擾，逐一采用 400#~2000#砂紙對試樣表面進行打磨。

疲勞裂紋擴展實驗參照 GB/T 6398—2017《金屬材料疲勞實驗疲勞裂紋擴展方法》進行：首先預制2mm 長的疲勞裂紋，然后進行最大載荷 Pmax 恒定為2 500 N 的疲勞裂紋擴展實驗。其中，載荷頻率 f 為10 Hz，應力比 R 分別為 0.1、0.3 和 0.5，載荷幅（?P=Pmax×R）由應力比決定。通過柔度法測量裂紋長度，記錄裂紋長度 l 和循環次數 N，通過割線法計算裂紋擴展速率 dl/dN[15]，如式（1）所示。

對于 CT 試樣，裂紋尖端應力強度因子幅（?K）采用式（2）進行計算[15]。

式中：α=l/b，為試樣形狀因子。最后采用 Paris公式對 dl/dN-?K 曲線進行擬合，Paris 公式如式（3）所示[16]。

式中：C 和 m 均為與材料性質相關的擬合參數。

待疲勞裂紋擴展實驗結束后，在 Tescan Clara 掃描電鏡下通過二次電子成像對斷口表面形貌進行表征。二次電子成像的加速電壓為 15 kV，加速電流為 300 pA。

2、 結果與分析

2.1 微觀組織

x-y 平面上材料的微觀組織如圖 4 所示。EBSD分析結果表明，在激光直接沉積 TC4 鈦合金內，晶粒呈柱狀晶生長，各晶粒呈隨機取向分布，平均晶粒尺寸為 3.2μm，如圖 4a 所示。從圖 4b 所示的相分布圖可以看出，材料主要由 α-Ti 組成，可以檢測到少量的 β-Ti。由于 β-Ti 尺寸較小，EBSD 技術難以分辨，因此采用 BSE 和 EDS 對微觀組織進行了進一步表征。

微觀組織的高倍 BSE 形貌如圖 5a 所示。可以看出，除板條的 α-Ti 以外，還有少量白色的針狀組織。

通過 EDS 線掃描對這些組織的元素含量及分布進行了半定量表征，結果如圖 5b 所示。可以看出，在這些白色的針狀組織中出現了 V 元素的富集。V 元素是β-Ti 的形成元素，可以推測這些白色相為 β-Ti[17-19]。

2.2 疲勞裂紋擴展速率

將采集的裂紋長度和循環次數繪制成 l-N 曲線，如圖 6a 所示。隨著載荷循環次數的增加，裂紋長度l 呈指數增長，且增長速度不斷增大。根據式（1）計算得到 dl/dN 數值，并與由式（2）計算得到的?K 值繪制成 dl/dN-?K 曲線，如圖 6b 所示。在雙對數坐標下，不同應力比的 dl/dN 與?K 均呈線性關系，即裂紋擴展速率 dl/dN 隨應力強度因子幅?K 的增大而增大。此外，從圖 6b 還可以看出，在相同?K 值下，疲勞裂紋擴展速率隨應力比的增大而增大。

采用 Paris 公式對裂紋擴展速率進行擬合，結果如表 3 所示。3 種應力比下擬合優度均大于 0.97，擬合程度較好。在 Paris 公式中，參數 C 可以被認為是y 軸的截距，它依賴于材料的性質；參數 m 代表斜率，它體現了裂紋擴展速率對外加的應力強度因子幅值ΔK 的敏感度，m 值越大，則材料對 ΔK 的敏感度越高。

從表 3 可以看出，隨著應力比由 0.1 增大到 0.5，參數 C從 1.42×10?11 降低到 1.21×10?11，參數 m 從 3.11 增大到3.55，說明隨著應力比的增大，材料更容易發生疲勞裂紋擴展。這種應力比導致的變化規律，與傳統加工得到的損傷容限型 TC4 鈦合金變化規律相同[20-21]。

為獲得不同應力比下 Paris 參數 m 和 C 的關系，以 m 為縱坐標、lg C 為橫坐標繪制成圖 7。可以看出，2 個參數呈現出較好的線性關系。通過線性公式 m=algC+ b₀ 進行擬合，得到 a=?60.02、b₀=?5.82，擬合系數 R2=0.88。從圖 7 還可以看出，應力比增大僅僅使數據點沿擬合直線移動，但并未偏離直線，因此應力比的改變并不會影響參數 m 和 lg C 的線性關系。

這種線性關系在采用傳統工藝加工的鈦合金及其他金屬材料中也普遍存在，與材料的制造工藝沒有明顯的依賴性[22]。

2.3 斷口表面形貌

在掃描電鏡下通過二次電子成形對斷口表面形貌進行表征，結果如圖 8 所示。可以看出，在 3 種應力比下，疲勞裂紋均呈現穿晶擴展模式。在裂紋擴展過程中出現了明顯的沿特定晶面的解理，因此觀察到大量沿裂紋擴展方向匯聚的河流花樣。此外，由裂紋尖端交替鈍化和銳化形成的疲勞輝紋也清晰可見。但在 3 種應力比下，這些特征呈現了一定的差異。隨著應力比的增大，河流花樣更多，疲勞輝紋逐漸變淺，說明并且二次裂紋的數量也隨之增加。

2.4 分析討論

在疲勞裂紋擴展過程中，由外載荷改變引起的裂紋閉合效應是材料疲勞裂紋擴展速率的主要影響因素之一[23-24]。一般認為，應力比對疲勞裂紋擴展速率的影響主要來源于裂紋的閉合效應，即在 Pmax 恒定時，當應力比較小時，平均應力 Pm=Pmax×(1?R)/2 也較小，此時裂紋面接觸閉合的時間較長，閉合效應顯著；隨著應力比的增大，平均應力隨之增大，裂紋的張開位移變大，此時閉合效應會減弱甚至消失，因此疲勞裂紋擴展速率加快[25]。顯然，這一規律實際上是由外部載荷因素導致的必然結果，與材料的成形工藝 或材料組織類型沒有必然的聯系。

在疲勞裂紋擴展過程中，裂紋擴展的驅動力主要來源于正應力和切應力 2 個分量[26]，如式（4）~（5）所示。

式中：

τ_a為臨界平面上的切應力幅；σ_a為正應力幅；σ_max為最大正應力；σ_n，max為臨界平面上的最大正應力。為衡量正應力與切應力的關系，進而考慮2 種應力對疲勞損傷的綜合影響，引入臨界平面應力比 ? [26]，如式（6）所示。

通過式（6）計算得到應力比為 0.1、0.3 和 0.5時所對應的 ? 分別為 2.22、2.86 和 4.00，說明隨著應力比的增大，正應力對疲勞裂紋擴展的作用逐步增大。由于正應力的存在可以加速疲勞裂紋的擴展，應力比的增大對應較高的ρ ，提高了正應力在裂紋擴展過程中的加速效果，因此裂紋擴展速率在應力比為0.5 時最大。

3、 結論

1）在相同?K 條件下，隨著應力比的增大，疲勞裂紋擴展速率增大。

2）在 Paris 公式中，當應力比由 0.1 增大到 0.5時，參數 C 從 1.42×10^?11 降低到 1.21×10^?11，參數 m從 3.11 增大到 3.55，且 m 和 lg C 呈線性關系（m=60.02lgC-5.82）。

3）隨應力比的增大，斷口表面的河流花樣增多、疲勞輝紋變淺、二次裂紋數量增加。

4）應力比引起的裂紋尖端閉合效應和平面應力比變化是導致裂紋擴展速率發生改變的主要原因。

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