金属增材(AM)制造的金属材料是有吸引力的材料，它们的组件直接由CAD数据形成，这样一来交货时间最短，材料损耗更少。AM金属的最大应用问题就是疲劳强度，几乎是块体金属的一半[1-3]。机械表面处理，如抛喷丸强化、空化喷丸强化[4,5]和激光冲击强化[6]，是提高疲劳强度的一种有效方法。抛喷丸强化、空化喷丸强化和浸没激光冲击强化据称可以提高AM金属的疲劳强度[1-3]。

成品金属采用粉末床熔化AM方法制成，表面粗糙在很大程度上是因为颗粒未熔化(见图1)。而且，使用SEM通过断面测量成品试样的表面缺陷深度时，直接金属激光烧结(DMLS)和电子束熔化(EBM)成型的试样深度约为200μm [3]。因此，为了通过机械表面处理技术去除AM金属的表面粗糙度和表面缺陷，东北大学和波音公司合作提出采用空化磨料表面精加工(CASF)方法，该方法经证实可以提高EBM钛合金的疲劳强度[7]。

CASF通过空化磨料射流完成机械表面处理。空化射流产生的空化气泡破裂时产生的冲击力导致形成残余压应力形变和加工硬化，同时磨料在射流作用下提速喷出表面。

本文论证了CASF可以提供EBM钛合金Ti6Al4V的疲劳强度[7]。

测试材料为钛合金Ti6Al4V，疲劳试样由EBM制造。试样厚度为2±0.2mm。EBM所用颗粒的平均直径约为75μm。电子束的光斑直径为0.2mm，堆叠间距为90μm。在EBM工艺之后，试样在1208 K下真空热处理105分钟，然后氩气冷却。随后在978 K下真空老化2小时，然后氩气冷却。

疲劳试样采用空化磨料射流处理。CASF处理细节见参考文件[7]。射流压力为62 MPa，喷嘴直径为0.64mm。试样放入凹槽，喷管恒速v=18mm/s移动，同时扫描n次。每次扫描后，喷管侧向移动1.2mm。在本研究中，扫描次数n有1次、2次、3次和4次。试样长度为90mm，处理时间tp为5s、10s、15s和20s，对应的扫描次数分别为1次、2次、3次和4次。无论是否进行CASF处理，试样都需要使用常规Schenk型位移控制平面弯曲疲劳试验机进行测试，测试R=―1。为了得出最佳处理时间，恒定弯曲应力σa=330 MPa时对应的失效循环次数Nf计算如下。由于使用了位移控制平面弯曲疲劳试验机，σa=330 MPa时对应的循环次数不详。因此，通过实验获得了试样在σa≈330 MP时对应的循环数，然后按照以下步骤由Nf计算出σa≈330 MPa时对应的Nf 330。假设未处理试样的低循环疲劳S-N曲线表示为等式(1)，处理过的试样表示为等式(2)，其中，c1、c2和c3为常数。因此，这些S-N曲线彼此平行。

(1)

(2)

对于处理过的试样，通过等式(3)可以得到Nf 330。

(3)

在本实验中，c1和c2分别由未处理试样的3个实验数据通过最小二乘法得到，c3分别由c1和每个处理试样的1个实验数据(其中σa≈330 MPa)得到。 

通过等式(3)，我们可以得到

 

(4)

通过等式(4)，我们可以得到Nf 330.为了研究疲劳强度，疲劳试验是在疲劳寿命(Nf 330)最大化的最佳处理时间下进行的。试样循环超过107次后停止时，则测试停止。

由于平面弯曲疲劳强度受粗糙度、硬度和残余应力等表面机械性能的影响，表面粗糙度Rz采用触针式轮廓仪测量，表面硬度HR15T采用洛氏表面硬度计测量。表面残余应力通过2D-XRD法测量。

由于残余压应力σCR降低了外加应力，疲劳寿命得到改善，如图2所示。a和b是常数。表面硬度HR15T也提高了疲劳寿命。另一方面，表面粗糙度Rz会降低疲劳寿命，如图2所示。σa对应的疲劳寿命Nf3可以通过等式5由σCR、HR15T和Rz估算得到。

(5)

图3列明了经CASF处理后的试样表面。在tp=5s时，清理了表面上的大部分未熔化颗粒，但观察到波浪纹路。在tp=10s时，波浪纹路变浅，但观察到一些表面缺陷。在tp=15s时，去除了表面缺陷；在tp=20s时，叠瓦状纹路变深。

为了得出最佳处理时间，图4表明σa=330 MPa时对应的失效循环次数Nf 330随处理时间的变化而变化。图4列出了表面硬度HR15T、表面残余压应力σCR和表面粗糙度Rz。Nf 330、HR15T, σCR、Rz最大值归一化，分别为230,647次循环、92.2, 271.2 MPa和108.8μm。Nf 330在tp=15s时达到最大。HR15T随tp增大直至饱和，σCR随tp增大。Rz随tp减小，在tp=15s时达到最小值，然后在tp=20s时增大。如前所述，HR15T和σCR提高了疲劳性能，而Rz缩短了疲劳寿命。这就是Nf 330在tp=15s时达到最大值的原因。

图5列出了平面弯曲疲劳试验的结果，由此可知CASF对EBM竣工Ti6Al4V疲劳性能的影响。在tp=15s时，试样接受CASF处理。如图4所示，CASF将竣工试样的疲劳寿命Nf 330提高了2.46倍。使用Little法[8]计算循环107次后的疲劳强度，成品工件为169±8 MPa，CASF处理件为280±10 MPa。也就是说，循环107次后，经CASF处理后试样的疲劳强度提高了66%。

为了确认通过等式(5)对疲劳寿命进行的估算方法，图6列明了σa≈330 MPa时实验疲劳寿命Nf exp与σa=330 MPa时实验疲劳寿命Nf的关系。这两个值都通过tp=15s时CASF处理的试样的失效循环数进行了归一化。等式(5)中的常数a和b使用图4的五个点通过最小二乘法计算得到。五个数据点的相关系数为0.958，表示不相关的概率小于1.0%；因此，我们认为通过HR15T、σCR和Rz可以估算出经CASF处理的AM Ti6Al4V的疲劳强度。

为了证实空化磨料表面处理CASF是否能够提高增材制造AM金属材料的疲劳强度，对电子束熔化EBM制造的钛合金Ti6Al4V进行CASF处理，然后再进行位移控制平面疲劳测试。结果标明循环107次后，经CASF处理后试样的疲劳强度提高了1.66倍。

本次工作得到了JSPS KAKENHI资助号17H03138、18KK0103和20H02021的部分支持。

[1] P. Edwards，A. O'Conner和M. Ramulu，“钛部件的电子束增材制造：特性和性能”，《制造科学与工程期刊》，ASME汇刊第135卷，第6期，文号061016，第1-7页，2013年。

[2] H. Soyama和Y. Okura，“通过各种喷丸方法提高电子束熔法制造的钛合金Ti6Al4V疲劳强度”，AIMS《材料科学》，第5卷，第5期，第1000-1015页，2018年。

[3] H. Soyama和F. Takeo，“各种喷丸方法对直接金属激光烧结和电子束熔法制造的钛合金Ti6Al4V疲劳性能的影响”，《材料》，第13卷，第10期，文号2216，第1-26页，2020年。

[4] H. Soyama，“空化喷丸强化的关键因素和应用”，《国际喷丸科学与技术》杂志，第1卷，第1期，第3-60页，2017年。

[5] H. Soyama，“空化喷丸强化：回顾”，《金属》，第10卷，第2期，文号270，第1-27页，2020年。

[6] H. Soyama，“比较空化喷丸强化、水射流喷丸强化、抛喷丸强化和激光冲击强化对不锈钢疲劳强度的改善作用”，《材料加工技术》，第269卷，第65-78页，2019年。

[7] H. Soyama和D. Sanders，“通过空化磨料水射流和喷丸强化工艺提高通过电子束粉末床熔化(EBPB)增材制造方法制造的钛合金6Al-4V的疲劳强度”，JOM，第71卷，第12期，第4311-4318页，2019年。

[8] R. E. Little，“估计非常小的上下量子响应测试和带有跳动的S-N数据的中值疲劳极限”，ASTM STP，第511卷，第29-42页，1972年。

祖山均 (Dr. Eng.)

日本东北大学精密力学系教授

6-6-01 Aoba, Aramaki, Aoba-ku,

Sendai,980-8579, Japan

邮箱：soyama@mm.mech.tohoku.ac.jp

Daniel G. Sanders (Dr. Eng.)

美國華盛頓州西雅圖市華盛頓大學附屬教授