图8垂直和水平LB-PBF Al试样的应变寿命疲劳比较:(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357。
众所周知，在机械加工表面条件下，用户体积缺陷（即孔隙、LOF）是大多数AM材料的裂纹萌生源。然而，并非所有AM材料都是如此；例如，据报告，AM IN718机加工试样，裂纹是从表面开始的，而不是体积缺陷。因此，在目前的研究中，有必要仔细研究LB-PBF铝合金的失效机制。
由于在较高的循环疲劳状态下，疲劳结果更分散（见图8），垂直和水平LB-PBF铝试样的选定断裂面在0.002下进行试验图9和图10分别比较了mm/mm应变振幅。然而，表5列出了所有失效试样的缺陷尺寸和类型。
图9 0.002 mm/mm应变幅值下LB-PBF Al垂直试样的断口:(a) AlSi10Mg， (b) QuesTek Al， (c) AD1， (d) AlF357。注意，所有的垂直Scalmalloy试样在该应变幅值处都达到了跳动。
图10 水平LB-PBF Al试样在0.002 mm/mm应变幅下的断口:(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) AlF357。注意，所有水平QuesTek Al和AD1试样在此应变振幅达到跳动。
请注意，缺陷的大小是通过Murakami方法分析的，如图9、图10中的断口表面绿色曲线所示。此外，精确的缺陷区域也被指定在断口表面(黄色曲线)。必须指出的是，对于跳动试样，没有缺陷尺寸的报道，在测试过程中，一些断口表面被打碎，无法识别缺陷。表中以N/A**表示。
对于垂直LB-PBF Al试样，AlSi10Mg、QuesTek Al和AlF357合金中靠近或表面的体积缺陷引发了裂纹。AlSi10Mg_V2中Murakami =31 μ m的表面孔隙(图9(A))， AlF357_V4中Murakami =30 μ m的表面孔隙(图9(d))很明显。结果表明，即使AlF357垂直试样的初始缺陷尺寸相当相似，垂直AlF357合金(2 Nf = 243,092)的疲劳寿命仍高于垂直AlSi10Mg (2 Nf = 166,266)。
表5 本研究获得的LB-PBF Al合金单轴全反向应变控制疲劳数据，以及每个试件的裂纹引发缺陷的信息(即尺寸、类型和位置)。
从表5可以看出，AlF357试样的缺陷比AlSi10Mg试样大，但疲劳寿命更长，说明AlF357对缺陷的容忍度更高。换句话说，如果进一步优化AlF357的工艺参数和热处理工艺，使其具有与AlSi10Mg相似的孔径分布，则AlF357试样在疲劳载荷下的寿命有望更长。
对于QuesTek Al_V2试样，裂纹起源于Murakami=59µm的LoF缺陷。有趣的是，尽管引发裂纹的缺陷尺寸比垂直方向的AlSi10Mg大，但其疲劳寿命与垂直方向的AlSi10Mg相当。此外，其中一个QuesTek Al试样达到了跳动，与AlSi10Mg相比，其孔隙率更高(见图5、图6)。
图5 X射线CT结果来自疲劳试样的尺寸截面上6.5 mm长X 5mm直径的体积，显示垂直和水平LB-PBF Al试样的孔隙率:(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357。统计结果见(f)。
图6(a)垂直和(b)水平LB-PBF Al试样的体积缺陷尺寸分布。
因此，优化QuesTek Al的工艺参数，可以使QuesTek Al具有比AlSi10Mg更高的抗疲劳性能。结果表明，LB-PBF QuesTek Al具有较高的抗疲劳裂纹萌生能力，其组织较细;然而，由于其高强度、低塑性和高孔隙率，在疲劳数据中报道较多。同样，在图8中，QuesTek Al的疲劳数据也有相当大的离散。
非对称弯曲作用在部件上的断裂面底侧的疲劳区域（I区）比上侧更宽。发现问题源为V形凹痕，该凹痕累积了应力并加速了裂纹扩展。V形凹痕是一个设计错误，是在装配阶段通过挤压操作造成的，必须用安全的方法进行更换。图13.18显示了一种推荐的具有较大根部半径的成形方法，以分布应力累积，同时将滚珠轴承约束在孔内。此外，挤压操作的位置在失效方面非常重要，因为最大应力影响杆帽的某些部分。
从图9(c)可以看出，裂纹是从垂直AD1试样的表面开始的，而另外两个垂直AD1试样在该应变幅值水平(即0.002mm/mm)达到了跳动。值得注意的是，与本研究中的其他Al合金相比，AD1试样的孔隙率相对较低(见图5、图6)。这可能将裂纹的起裂从体积缺陷转移到表面起裂，因为在表面附近没有相对较大的缺陷。最后，在0.002 mm/mm的应变幅值下，没有垂直Scalmalloy试样失效，它们都达到了107反向，疲劳试验暂停。
选取的水平LB-PBF Al试样在0.002 mm/mm应变幅值下的断口如图10所示。值得注意的是，所有水平AD1和QuesTekAl试样在该应变幅值处均达到了跳动。由图10(a)可以看出，AlSi10Mg_H4试样的两个Murakami =30µm和40µm的表面LoF缺陷引发了裂纹。在所有水平Scalmalloy试件中，只有1个试件在达到跳动前破坏，其断口如图10(b)所示。结果表明，Murakami = 102 μ m的LoF缺陷导致了Scalmalloy_H2试样的失效。
有趣的是，即使有这么大的LoF缺陷，Scalmalloy_H2的疲劳寿命也比AlSi10Mg_H4和AlF357_H2的疲劳寿命长。这与Scalmalloy的高断裂韧性有关，其高强度和高延展性与其纳米级晶粒结构相结合。
两次热处理后CuCrZr的断裂韧性随剂量的变化。在20-350℃的温度范围内，0.3 dpa的中子辐照显著降低了CuAl25的断裂韧性。经辐照的CuAl25合金的韧性比未辐照的合金低2 ~ 3倍。尽管在较低剂量(0.14-0.15 dpa)下对CuCrZr的拉伸性能有显著影响，但中子辐照对CuCrZr的断裂韧性的影响并不明显。辐照后CuCrZr的断裂韧性降低较小，JQ值仍为200 kJ m−2 ~ 1.5 dpa
值得注意的是，用于制备scalmalalloy的工艺参数不一定是优化的;因此，如果进一步优化工艺参数以减少体积缺陷，可大大提高该合金的疲劳性能。对于LB-PBFAlF357_H2试样，裂纹是由Murakami =47µm的LoF缺陷引起的。虽然缺陷尺寸也比Scalmalloy试样小很多，但AlF357_H2试样的疲劳寿命较短。
在表5所列的一些情况下，主要是在较高的0.003 mm/mm应变幅下测试的试样，裂纹是从表面开始的，而不是体积缺陷。这些样品要么是低缺陷密度的样品，如AD1_V2，要么在极少数情况下，体积缺陷离表面较远，如AlSi10Mg_H3。在这种情况下，侵入/挤压很可能在试件的表面形成并引发了裂纹。
4.关于实验结果的讨论
本节将对LB-PBF铝合金的微观/缺陷结构进行比较和讨论。此外，还进一步评估了LB-PBF铝合金疲劳行为中的构建取向依赖性。
4.1. 疲劳行为中的潜在各向异性
由于AM工艺引起的微观/缺陷结构各向异性，AM材料的疲劳行为可根据构建方向而变化。在不同建造方向制造的零件所经历的热历史不一定相同，并且可能受到时间间隔和几何因素的影响。水平建造试件的标准截面通常比垂直建造试件的标准截面更靠近建造平台，这可能导致水平试件中更快的散热。较高的冷却和凝固速度可能导致水平制造的零件比垂直制造的零件具有更多的体积缺陷。
垂直和水平试样中缺陷密度的差异可能导致疲劳行为的各向异性。尽管从图8可以看出，在较高的应变幅度0.003下，LB-PBF铝合金的疲劳性能没有太大的各向异性mm/mm，在0.002的较低应变幅度下，疲劳行为中似乎存在某种程度的各向异性毫米/毫米。为了澄清这是各向异性还是疲劳寿命的分散性，垂直和水平LB-PBF铝试样的疲劳数据在0.002处进行测试mm/mm应变振幅通过图11中的方框图表示。必须注意的是，表5中列出的跳动试验及其终止的反向次数也包括在统计分析中，并用黑色箭头表示。
图11垂直和水平LB-PBF Al试样在0.002 mm/mm应变幅值下的疲劳数据，如盒状图和须状图所示。注意，箭头表示跳动。
值得注意的是，上四分位数和下四分位数之间的差异表示疲劳寿命的分散性，而垂直和水平试样的疲劳寿命中值之间的差异表示疲劳行为的各向异性。如图所示，在大多数情况下（即AlSi10Mg、Scalmalloy和AlF357），水平试样的疲劳寿命更分散，这可以通过水平试样中的缺陷密度高于垂直试样来解释（见图5）。然而，由于水平AD1试样中的缺陷密度相对较低（图5（d）），因此其疲劳寿命没有太大的分散性。只有一个异常垂直AD1试样导致垂直AD1试样疲劳寿命分散（见图8）。另一方面，从图11中可以看出，LB-PBFAlSi10Mg、Scalmalloy和AD1试样的垂直和水平试样的疲劳寿命中间值具有一定的可比性，证实了它们的疲劳行为没有各向异性。
尽管水平试样中存在更多的缺陷（见图5），预计会恶化疲劳性能，但人们可能想知道为什么水平AlSi10Mg、Scalmalloy和AD1试样的平均疲劳寿命与垂直试样相当（见图11）。这可以通过水平试样中缺陷投影面积的大小来解释（尤其是在加载面上存在LoF缺陷的情况下），这可以补偿这些试样中高缺陷密度的不利影响。水平试样加载面上LoF缺陷的投影面积通常小于垂直试样如表5所示。
在后续层或相邻轨道之间形成的LoF缺陷通常具有狭缝形状，其较宽区域平行于水平试样中的加载方向，而垂直试样中的加载方向垂直。垂直试样中LoF缺陷的较大投影面积可导致较高的应力集中，从而导致垂直试样中疲劳强度的劣化。因此，尽管水平试样中的缺陷密度高于垂直试样中的缺陷密度，但可获得类似的疲劳寿命。
图11中水平AlF357试样的疲劳寿命中值略低于垂直试样的疲劳寿命中值，这表明该合金的疲劳行为具有轻微的各向异性。这是由于在垂直和水平AlF357试样中引发裂纹的缺陷类型（即孔隙与LoF）。如表5所示，垂直AlF357试样中的裂纹源自球形孔隙，而LoF缺陷则导致水平试样中的失效。众所周知，较大的LoF缺陷通常比较小的球形孔对疲劳寿命更有害；尽管如此，水平AlF357试样加载面上LoF缺陷的投影面积并不比垂直试样断裂面上的孔隙大多少（见表5）。因此，AlF357疲劳性能的各向异性并不显著。
另一方面，对于图11中的QuesTek铝合金，垂直试样中的疲劳寿命中值显著（一个数量级）低于水平试样；这可能代表疲劳行为的各向异性。如表5所示，在0.002下测试的垂直QuesTekAl试样的LoF缺陷引发的裂纹mm/mm应变振幅，而所有水平试样均达到该水平的跳动。尽管水平QuesTek Al试样的缺陷密度高于垂直试样（见图6（c）），但LoF缺陷在加载面上的投影面积应小于垂直试样的投影面积，从而使水平试样具有优异的疲劳性能。
除了本文研究的缺陷对LB-PBF铝合金疲劳各向异性的作用外，还应考虑微观结构的作用，特别是晶粒的结晶取向。尽管如图3所示，晶粒结构（即晶粒的大小和形态）并未受到构建取向的太大影响，但在垂直和水平试样之间，晶粒相对于加载方向的首选结晶取向不同。在水平LB-PBF AlSi10Mg、QuesTek Al、AD1和AlF357试样中，晶粒向加载方向的结晶取向为<011> 及<111> （参见图3中的//Y轴IPF），对于水平比例合金，也有沿<001>. 另一方面，颗粒主要是<001>-在垂直试样中定向（参见图3中的//Z-IPF），但具有随机定向晶粒的垂直QuesTek Al和AD1试样除外。然而，考虑到更容易横向滑动<011> 及<111> 方向而不是方向<001> 在FCC材料中，水平AlSi10Mg、QuesTekAl、AD1和AlF357试样（见表4和图7）的延性更高，这可能导致这些材料对缺陷的敏感性降低。
可以得出结论，水平试件加载面上LoF缺陷的投影面积越小，应力集中越小，且应力集中越小<011> 及<111> 晶粒的取向会降低材料对缺陷的敏感性。这些可能有助于水平AlSi10Mg试样，同时具有更多的体积缺陷，表现出与垂直试样相当的抗疲劳性。尽管QuesTekAl因其高强度和低延展性而对缺陷的存在非常敏感，但水平试样加载面上较小的LoF缺陷投影面积的组合效应以及<011> 及<111> 与垂直试件相比，水平试件中晶粒的取向可以改善水平试件的疲劳性能。
4.2. 铝合金疲劳性能的比较
垂直LB-PBF铝试样的应变寿命和应力寿命疲劳行为分别如图12（a）和（b）所示。可以看出，LB-PBF AlSi10Mg和AlF357合金具有类似的应变寿命疲劳行为，而AlF357在0.003时具有更高的应力寿命疲劳行为比AlSi10Mg高（见图12（b））。这可以解释为AlF357的强度比AlSi10Mg稍高（见表4），并且AlSi10Mg在0.003时的塑性变形mm/mm应变振幅（见图7）。因此，与AlSi10Mg合金相比，AlF357更适合于承载应用。
图12 (a)垂直LB-PBF Al试件的应变寿命和(b)应力寿命疲劳行为。
与AlSi10Mg相比，AlF357的缺陷水平更高(见图5)，预计会使该材料(即AlF357)更容易失效，因此，其疲劳强度低于AlSi10Mg。AlF357和AlSi10Mg的疲劳寿命相似，可能与两者不同的微观结构特征有关。对AlSi10Mg进行的应力消除循环不能消除组织中的脆性胞间Si网络，而对AlF357合金进行的固溶均质热处理可以消除组织中的脆性胞间Si网络。
由于组织中的胞间Si网络导致材料的过早开裂和较低的裂纹扩展抗力，消除Si网络有助于改善疲劳行为。因此，AlF357在热处理后增强的组织(即细胞间Si网络的缺失)可能弥补了高水平缺陷的不利影响，从而使其抗疲劳能力与AlSi10Mg相当。
从图12(a)和(b)可以看出，垂直LB-PBF Scalmalloy、QuesTek Al和AD1试样比AlSi10Mg和AlF357试样具有更高的抗疲劳性能，这与它们比AlSi10Mg和AlF357合金具有更高的强度(见表4)和更精细的组织(见图3)有关。对Scalmalloy和AD1进行热处理后，由于新形成的纳米Al3Sc和Al3Zr析出相分别为，从而提高了其强度。
此外，制备过程中形成的纳米级析出相粗化，提高了延性。因此，与AlSi10Mg、QuesTekAl和AlF357相比，Scalmalloy和AD1试样的高强度和延展性可能会提高这些材料的疲劳性能。在QuesTek Al的情况下，有报道称，通过热处理可能形成的SiO2(见表3)可以增加材料的静态强度，同时降低其延性。这使得该材料对缺陷的灵敏度更高，尤其是在HCF体系中。
Scalmalloy、QuesTek Al和AD1垂直试样的裂纹起始缺陷平均尺寸基本一致，大概为~ 54µm、60µm和62µm。虽然垂直方向的Scalmalloy比垂直方向的AD1有更高的缺陷密度，但它们有相当的疲劳寿命。因此，我们可以假设，如果对scalmalalloy的工艺参数进行更好的优化，其性能将优于AD1。然而，在Scalmalloy和AD1的情况下，与QuesTekAl相比，它们的高强度和高延性的结合可能导致更高的断裂韧性，从而获得更高的抗疲劳性能。
分散在疲劳结果的垂直QuesTekAl标本在0.002毫米/毫米归因于其高强度和延性较低,这使得这种材料最敏感的存在缺陷(见图5)。类似的散射疲劳结果已报告LB-PBF QuesTek铝合金在。进一步优化QuesTek Al的工艺参数可以减少疲劳数据中的散射，也许还可以减少前面讨论过的各向异性。
图13 (a)水平LB-PBF Al试件的应变寿命和(b)应力寿命疲劳行为。
图13（a）和（b）分别比较了水平LB-PBF铝试样的应变寿命和应力寿命疲劳数据。与垂直试样类似，水平AlSi10Mg和AlF357合金在所有应变振幅水平下都表现出可比的疲劳寿命，而AlF357在0.003时表现出更高的应力响应mm/mm应变振幅（图13（b））。在高强度LB-PBF铝合金中，Scalmalloy在0.003的水平建造方向上的疲劳抗力明显低于AD1mm/mm应变振幅。这可能与晶粒相对于加载方向的结晶取向（参见图3中的Y轴IPF）及其孔隙率水平的差异（Scalmalloy的缺陷密度高于AD1，参见图5）有关。
如图3（b）中水平Scalmalloy的//Y轴IPF所示，沿<001> 方向，而对于水平AD1，颗粒强烈<011>- 及<111>- 定向（即FCC结构易于交叉滑移）。因此，与水平比例合金相比，水平AD1试样在循环荷载下具有更大的延性。从表4中还可以看出，水平AD1比水平Scalmalloy具有更高的延展性，这使得其与Scalmalloy相比对缺陷的存在不太敏感。与水平Scalmalloy试样相比，水平AD1试样的结构缺陷水平也较低（对比图5（d）和（b））。因此，考虑到首选<011> 及<111> 水平AD1试样的晶粒取向以及较低的缺陷水平和对缺陷存在的敏感性均优于水平Scalmalloy试样。
而所有水平QuesTek Al和AD1试样的跳动量均达到0.002mm/mm应变振幅，三个水平Scalmalloy试样中有一个未达到跳动（即107次反向）。该试样的失效是由一个较大的LoF缺陷（102）引起的µm），如图11（b）所示。尽管水平试样加载面上LoF缺陷的投影面积据推测小于垂直试样中的投影面积，但在水平试样中存在非常大的LoF缺陷的情况下，加载面上的投影面积仍可能大到足以导致疲劳失效。Scalmalloy疲劳行为的分散是由于该材料中存在越来越多的缺陷，这是由于制造这些试样所采用的工艺参数不一定是最优化的。
有趣的是，失效水平Scalmalloy试样的疲劳寿命与AlSi10Mg和AlF357试样相当，其疲劳失效的缺陷要小得多（AlSi10Mg和AlF357水平试样在0.002下的平均裂纹起始缺陷）mm/mm应变幅值为40µm和45μm）。这表明，与AlSi10Mg和AlF357合金相比，当它们都具有相同的孔隙率水平时，LB-PBF Scalmalloy具有更高的抗疲劳性。因此，通过优化制造工艺参数，有望进一步改Scalmalloy试样的疲劳性能。
5.结论
在本研究中，研究了垂直和水平方向制备的五种不同LB-PBF铝合金（即AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357）的微观/缺陷结构和疲劳行为。试图将每种合金在每个构建方向上的疲劳行为与其微观/缺陷结构相关联。以下结论基于本研究中的实验观察结果：
1.晶粒结构（即晶粒的大小和形态）受构建取向的影响不大。然而，在垂直和水平试样之间，晶粒相对于加载方向的首选结晶取向不同。横向试样中晶粒主要为<011>- 及<111>取向(即FCC结构易交叉滑移)，但横向scalmalalloy中晶粒也为<011>取向。在垂直方向的试样中，除垂直方向的QuesTek Al和AD1具有随机取向晶粒外，其余晶粒均为取向晶粒。
2.水平LB-PBF铝试样的体积缺陷水平高于垂直试样。然而，在垂直和水平试样之间，Scalmalloy和AD1的缺陷密度变化最小。这是因为这些合金的导热系数较低（比铝硅合金低约30%）。然而，Scalmalloy试样具有较高的缺陷密度，这归因于用于其制造的非优化工艺参数。
3.在0.003的高应变幅度下，LB-PBF铝试样的疲劳行为中没有明显的构建方向依赖性。然而，AlF357和QuesTek Al试样在0.002下的疲劳行为表现出各向异性mm/mm应变振幅。
4.垂直和水平试样之间缺陷类型（即孔隙、LoF）和尺寸的差异导致了AlF357和QuesTek铝合金疲劳行为的各向异性。与水平试样中的大LoF缺陷相比，垂直AlF357试样的疲劳性能稍好于水平试样中的大LoF缺陷，这是由于小孔隙引起的裂纹萌生。对于QuesTek Al，垂直试样加载面上LoF缺陷的投影面积较大，导致其疲劳寿命比水平试样短。
5.无论构建方向如何，LB-PBF AD1试样的疲劳性能均优于AlSi10Mg、QuesTek Al和AlF357试样。这是由于较低的缺陷密度、较高的拉伸强度（高于AlSi10Mg和AlF357，与QuesTekAl相当），以及与其他合金相比，AD1的El百分比较高。
6.垂直比例合金试样的疲劳寿命与垂直AD1试样相当，而水平比例合金试样的疲劳性能略低于水平AD1试样。高强度<001>-定向晶粒和低强度<011>- 及<111>-与水平AD1试样相比，定向晶粒以及水平Scalmalloy试样中存在更多缺陷使其更容易发生疲劳失效。
实验人员从一个32 mm × 32mm的开孔方形缺口板的几何形状开始，其中心圆孔直径为6.35 mm，如图所示。该层压板由准各向同性[45/90/−45/0]4s IM7/8552复合材料组成，总厚度为4 mm。
AMSC路线图中的一个高优先级缺口与材料属性数据库的生成有关。这导致在承重应用中进一步采用AM，并有助于实现AM零件的损伤容限设计。尽管本研究未提供整体疲劳性能，但五种不同方向制造的LB-PBF铝合金的数据和知识可帮助AM用户选择适合其应用的铝合金。然而，AM用户可能需要为每种合金生成更多数据，然后才能将其用于特定应用。疲劳预测建模建议在未来研究中使用本文介绍的LB-PBF铝合金，以加快其在各个行业，特别是航空航天领域的应用。
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