选择性激光熔化与钢的疲劳特性

简介和动机
快速成型制造（AM）是通过将连续的材料层融合在一起，根据数字三维模型制造产品的方法。这种方法无需额外的工具，就能生产出具有复杂内部和外部几何形状的零件。此外，作为一种制造技术，AM 已显示出取代现有制造工艺（包括减材和连接程序）的巨大前景。在本文中，我们将讨论选择性激光熔化（见图 1）对钢材（见图 2）疲劳特性的影响。本文主要基于芬兰拉彭兰塔理工大学科学家的研究。

尽管 AM 很受欢迎，但尚未得到充分理解和应用；因此，传统的减材技术仍然占据着全球工业市场的大部分份额。一方面，与减材技术相比，AM 有许多优点。例如，AM 通常是一种简单的一步法工艺。虽然它的特定能源消耗指数（生产一个材料单位所用的能源量）较高，但它通过缩短供应链、减少材料浪费和改善零件几何形状，有利于可持续发展。但另一方面，它也有一些缺点，例如对最终产品特性和公差的监管问题。为了摆脱这些限制，我们有一些选择。其中大多数想法仍处于起步阶段，需要更多的研究来推进。
 

图 1：选择性激光熔化技术示意图；图片由爱思唯尔提供

产品的微观结构与选择性激光熔化
由于 AM 最终产品的质量受其加工历史和多种生产参数的影响，因此仍需进一步研究，才能充分认识到其作为一种制造技术的潜力。因此，该领域的一个重要研究方向是建立模型，将成品的微观结构、特性和性能联系起来。

创造新的粉末并提高其质量是 AM 另外两个引人入胜的方面。增材制造研究的重点之一是为使用增材制造技术制造的材料建立机械特性数据收集。有了这个数据库，就能更容易地生产出具有较佳性能的 AM 零件。根据制造工艺和使用的能源，AM 方法可分为许多不同的类别。粉末进给、金属丝进给和粉末床系统是三大类。

定向能量沉积技术（通常称为粉末和金属丝馈送系统）既适用于制造，也适用于维护。这些方法通过在破损、过时的部件上沉积新的材料层，使修复这些部件成为可能。大多数情况下，粉末床系统可用于生产；但在更多限制条件下，它们也可用于维修和维护。

 

图 2：SLM 疲劳试样：（A）垂直疲劳测试试样；（B）水平疲劳测试试样；（C）垂直疲劳裂纹增长试样；以及（D）水平疲劳裂纹增长测试试样；图片由爱思唯尔提供。

选择性激光烧结和选择性激光熔化
金属增材制造最广泛使用的方法是粉末床系统，包括选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）。一方面，SLS 并不总是需要金属粉末，除非需要制造多孔产品，因为它使用的是烧结（固态扩散）而不是完全熔化。另一方面，SLM 不像 SLS 那样受材料限制，因为它是基于粉末材料的整体熔化和凝固。

为了最大限度地减少耗时的后加工步骤，选择性激光熔融技术还可生产出几乎完全致密的产品，其机械性能可与原材料相媲美。选择性激光熔融是一种具有自身独特优缺点的制造技术。

例如，它通常可以生产出成品零件，而无需进行其他加工。要熔化粉末材料，这种技术需要一定量的热输入和特定口径的光束。反复的熔化和凝固循环也会造成气孔等缺陷（见图 3），并增加成品的残余应力和收缩。

与 SLS 相比，SLM 在材料选择方面的限制较少，可以处理焊接性较强的金属和合金。由于 SLM 的快速熔化和凝固周期会带来额外的冶金考虑和挑战，因此其材料选择范围仍然受到较大限制。

 

图 3：不同构建方向样品孔隙率的三维可视化；图片由 Elsevier 提供

目前，SLM 已成功用于加工各种材料，包括不锈钢、工具钢、钴铬合金、钛及其合金、铝合金、镍合金和一些贵金属，包括纯银和纯金。在这些材料中，钢具有广泛的适应性，可满足大量的应用需求。由于钢在高强度、良好的延展性、经济性和可回收性之间取得了极佳的平衡，因此经常被用于现代工业和家庭用品中。

建筑（如悬挂电缆）、交通（如发动机部件）、能源（如涡轮叶片）、医药和其他一些工业设备只是钢材应用的一小部分。

因此，钢铁是 SLM 研究中使用和研究最多的材料之一。为了与普通的铸钢和轧钢区分开来，本文中将采用 SLM 技术生产的钢材称为 SLM 钢材。尽管对 SLM 钢的机械特性已做了大量研究，但对其疲劳特性仍不完全了解。

 

图 4：疲劳裂纹在微结构中的扩展；图片由爱思唯尔提供

此外，SLM 钢还经常用于航空航天、能源和医疗领域，所有这些领域都涉及极高的动态负载条件（如牙科植入物、模具镶件和船用螺旋桨等应用）。因此，从实用角度来看，SLM 钢的疲劳特性至关重要（见图 2 和图 4）。因此，本研究旨在为读者提供有关 SLM 钢疲劳特性、先前研究和现有知识差距的重要概述。

选择性激光熔融法与传统的 AM 方法有三点不同：其一，它使用激光束作为能源；其二，粉末材料完全熔化和凝固；其三，使用粉末床熔融法（见图 1）。

总结和结论
SLM 钢在各种应用中都会受到动态加载环境的影响；因此，要估算其在此类加载环境下的疲劳寿命，就必须了解其疲劳行为和特性。然而，文献中讨论 SLM 钢疲劳特性的研究并不多。此外，现有的研究并不能用于建立预测疲劳寿命的数值方程和模型。

要了解不同 SLM 钢的疲劳行为，今后需要进行全面系统的研究。根据最近的研究，构造方向、热处理、表面质量和束能密度都会对 SLM 钢的疲劳寿命产生影响。

尽管在寻找和研究 SLM 钢的疲劳特性方面做了大量工作，但仍有许多问题需要解答。这些问题包括建立数值/微结构模型来评估和研究 SLM 钢的疲劳耐久性，以及提供进一步提高疲劳强度的新技术（见图 4 和图 5）。
 

图 5：具有立方和球形晶格结构的疲劳试样；图片由爱思唯尔提供