金属合金增材制造是一种打印3D部件的新兴技术。该技术的主要优点是能够制造复杂几何形状、易于获得原材料以及能快速生产任一几何形状，这些优点利于减少维护时的供应时间。然而，竣工增材制造的部件通常含有的孔隙率和高表面粗糙度不利于制造。这些几何缺陷导致竣工部件的疲劳性能低于传统部件。疲劳性能代表材料在重复载荷下抵抗裂纹形成的能力。疲劳现象是工业中出现断裂的主要源头。该现象通常也是机械设计中的主要特性。因此，增强金属增材制造的疲劳性能仍然是工业应用的首要研究课题。为了增强竣工部件的疲劳性能，可以进行热等静压制、机械加工和/或抛光等处理。热等静压制虽然成本昂贵，但抛光或加工部件非常耗时。

几十年来，喷丸一直被用于提高材料的疲劳性能。研究表明，在增材制造方面，喷丸引入了有益的残余压应力和冷加工，降低了竣工表面粗糙度(Ardi等人，2020年；Bagherifard等人，2018年；Eric等人，2013；Wood等人，2019)。因此，喷丸是以低成本和短时间提高金属增材制造疲劳性能的完美选择。本研究的主要目的是证明喷丸可以提高竣工增材制造材料的疲劳寿命。第二个目标是比较加工疲劳样品和竣工疲劳样品的疲劳性能，以确定是否必须对竣工结构进行后加工以提高疲劳性能。

材料

激光粉末床融合是用于制造疲劳样品的增材技术。原料粉末为Inconel 718(IN718)镍高温合金。扫描策略是轮廓和填充策略的组合，如图1所示。相应的微观结构是由制造过程中历经不同冷却速率产生的小晶粒和大晶粒的组合。

增材制造材料的微观结构不同于传统路线制造的材料。在此，观察到双相晶粒微观结构，如图2a所示。同时，还观察到了样品表面轮廓策略产生的更细晶粒，如图2a底部所示。图2b显示了材料光学显微照片，其中观察到高密度的圆形和针状孔隙。

方法

由于IN718材料广泛用于航空航天工业中的高温应用，因此疲劳测试在550℃下进行。对样品进行疲劳测试，应力比(R)为-1，最大应力(σmax)为650MPa。基于目前的目标，比较了四种表面光洁度，即竣工(AB)、竣工和喷丸(AB-SP)、加工状态(AM)以及加工和喷丸(AM-SP)。对每个面层进行了三次疲劳测试。

结果与讨论

图3是疲劳结果的直方图，图中绘制了两个点。

首先，尽管AB样品的平均表面粗糙度比AM样品的平均表面粗糙度高约4倍，AB样品的平均疲劳寿命比AM样品的平均疲劳寿命高约5倍。对IN718的研究(Balachandramurthi等人，2018；Kelley等人，2015)表明，在室温下，AM样品的疲劳寿命大大高于AB样品的疲劳寿命。作者将增材制造样品的优异疲劳性能归因于较低的表面粗糙度。然而，此处观察到的趋势使研究材料的这种合理化无效。事实上，应用轮廓策略技术很可能是AB样品具有优异疲劳性能的原因。事实上，该技术在表面引入了更细的晶粒，从而产生了具有增强的疲劳性能的表面层。此外，疲劳测试后的进行的显微镜观察显示，AM样品由于缺乏熔合孔隙而导致表面裂纹形成，如图4a所示。而AB样品则由于粗糙度不规则的原因在表面形成了裂纹，如图4b所示。总之，轮廓策略通过在没有孔隙的近表面层中引入更细的晶粒，对疲劳寿命产生了有益的影响。

其次，喷丸处理AM和AB样品提高了平均疲劳寿命，降低了AB表面调整的疲劳离散度。喷丸样品的显微镜观察分析表明，表面下缺乏熔合孔隙而系统地引发裂纹的形成，如图4c所示。在基线条件下，AM和AB在表面裂纹形成时具有较短的疲劳寿命，而在次表面裂纹形成时具有较长的疲劳寿命。喷丸处理在200µm范围内产生了有益的深度残余压应力，表面残余压应力约为740MPa。该处理将AB样品的表面粗糙度降低了四倍。喷丸的这些有益效果可以保护表面层免于裂纹形成，从而延长疲劳寿命。总之，喷丸强化了疲劳寿命，并且可以用作竣工状态下增材制造结构的表面处理。

结论

增材制造是一种新兴技术，其缺点是所生产的材料的疲劳性能低于使用传统制造工艺生产的材料。

本研究表明，喷丸提高了由增材制造的IN718在550℃下的疲劳寿命。这项研究表明，喷丸是一种有益的表面处理方法，可提高增材制造结构在竣工状态下的疲劳性能。

Charles Bianchetti

Ph.D, Research Scientist

ONERA (Office Nationale d'études et de recherches aérospatiales)

DMAS - Department of materials and structures

M3S - Metallic material mechanics group

邮箱：charles.bianchetti@onera.fr

共同作者:

Louise Toualbi Ph.D, Research Scientist

Pascale Kanouté Ph.D, Research Scientist

邮箱：louise.toualbi@onera.fr

pascale.kanoute@onera.fr