钛合金由于其低密度、耐侵蚀、高强度、高硬度等特点，，，，，，，已在航空航天、特殊体育器械和石油化工等领域获得普遍应用[1-2]。。。。。。。。激光增材制造手艺可以通过逐层沉积的方法，，，，，，，实现重大结构零部件的快速成形，，，，，，，其工艺历程简朴，，，，，，，生产制造周期短，，，，，，，现在已在钛合金零部件的制造上获得应用，，，，，，，并成为增材制造领域的研究热门之一[3-6]。。。。。。。。

疲劳一直是质料面临的主要服役问题之一。。。。。。。。与古板工艺制造质料相同，，，，，，，增材制造质料同样面临侵蚀疲劳断裂的问题[7-8]。。。。。。。。现在已有学者对增材制造 TC4 钛合金的疲劳性能举行了研究，，，，，，，发明影响其疲劳性能的因素众多。。。。。。。。Eric 等[9]以为激光增材制造形成的外貌应力集中会显著降低质料的疲劳性能，，，，，，，他们提出可通过外貌机械研磨来提高疲劳强度，，，，，，，但质料的内部缺陷（未完全熔化的粉末、气孔缺陷等）仍然会导致质料的疲劳性能不稳固。。。。。。。。别的，，，，，，，增材制造形成的各向异性也会导致 TC4 钛合金横向和纵向疲劳性能保存显着的不匀称性，，，，，，，并且横向试样的疲劳极限通常比纵向的低，，，，，，，这种差别与质料内部的微观结构及剩余应力漫衍不匀称有关[10]。。。。。。。。后热处置惩罚工艺也会对增材制造 TC4 的疲劳裂纹扩展行为爆发影响，，，，，，，Leuders 等[11]研究发明，，，，，，，后热处置惩罚引起的微观组织改变会影响疲劳裂纹扩展的第一阶段，，，，，，，第二和第三阶段则主要受外部应力的影响 。。。。。。。。 C h e r n 等 [ 1 2 ] 总 结 了 工 艺 参 数 及 后 处 理 对电子束增材制造 TC4 钛合金疲劳性能影响的研究现状。。。。。。。。Sterling 等[13]对制备态和热处置惩罚态的直接能量沉积 TC4 合金的低周疲劳行为举行了研究，，，，，，，发明缺乏塑性是样品低周疲劳寿命较低的主要缘故原由。。。。。。。。Benedetti等[14]研究了选区激光熔化 TC4 合金的低周疲劳行为，，，，，，，也发明了类似的结论。。。。。。。。从以上研究可以看出，，，，，，，现在针对增材制造钛合金疲劳性能的研究主要集中在制造缺陷及微观组织对疲劳性能的影响方面，，，，，，，很少关注差别外载荷下质料的疲劳裂纹扩展行为。。。。。。。。

为此，，，，，，，本文针对激光直接沉积制造的 TC4 钛合金，，，，，，，接纳紧凑拉伸（CT）试样，，，，，，，举行了差别应力比下的疲劳裂纹扩展实验，，，，，，，接纳 Paris 公式对裂纹扩展速率举行了拟合，，，，，，，并在扫描电镜下对断口形貌举行了剖析，，，，，，，研究了差别应力比下激光直接沉积制造的 TC4钛合金的疲劳裂纹扩展行为。。。。。。。。

1、 实验

接纳工业级 TC4 钛合金粉末为原质料，，，，，，，粉末由气雾化法制备，，，，，，，其主要化学因素如表 1 所示。。。。。。。。粉末的形貌和尺寸如图 1 所示。。。。。。。。从图 1a 可以看出，，，，，，，粉末呈球形，，，，，，，且未爆发显着的团圆。。。。。。。。接纳激光粒度仪测得的粉末粒径漫衍情形如图 1b 所示，，，，，，，粉末粒径主要为20~60μm，，，，，，，平均粒径为36.5μm。。。。。。。。

激光直接沉积装备型号为 RC-LDM8060，，，，，，，试样的成形示意图如图 2a 所示。。。。。。。。装备接纳同轴送粉要领，，，，，，，即激光和粉末同时从喷嘴发出，，，，，，，在基板上熔化并凝固沉积成所需试样，，，，，，，；；；；；；；；て逦 99.999%的高纯氩气，，，，，，，在成形历程中坚持氧的质量分数低于 50×10^?6。。。。。。。。激光的扫描战略如图 2b 所示，，，，，，，即在目今层扫描竣事后，，，，，，，旋转 90°举行下一层扫描。。。。。。。。详细的沉积参数如下：激光功率为900W，，，，，，，光斑直径为2mm，，，，，，，扫描速率为300 m/min，，，，，，，送粉速率为 5 g/min，，，，，，，扫描间距为1mm，，，，，，，层厚为0.5mm。。。。。。。。接纳上述沉积工艺，，，，，，，制备出尺寸为80 mm×80 mm×20 mm 的块体试样，，，，，，，并对试样举行去应力退火处置惩罚。。。。。。。。

在 Tescan Clara 扫描电镜下通过电子背散射衍射仪（EBSD）、背散射电子成像仪（BSE）和能量色散谱仪（EDS）对退火后试样的微观组织举行剖析。。。。。。。。通过电火花加工要领对试样举行切割，，，，，，，然后依次使用400#~5000#砂纸举行打磨，，，，，，，最后再依次通过金刚石悬浊液和氧化硅悬浊液举行抛光，，，，，，，洗濯并烘干后举行微观组织剖析。。。。。。。。

凭证图 3 所示的试样尺寸，，，，，，，接纳电火花加工要领将去应力退火处置惩罚后的质料加工成紧凑型拉伸（CT）试样。。。。。。。。其中，，，，，，，坚持机加工缺口的启齿偏向与沉积偏向相同。。。。。。。。试样宽度 b 为 50 mm，，，，，，，厚度 δ 为 5 mm，，，，，，，初始裂纹长度 l₀ 为 10 mm。。。。。。。。为镌汰外貌粗糙度对实验效果带来的滋扰，，，，，，，逐一接纳 400#~2000#砂纸对试样外貌举行打磨。。。。。。。。

疲劳裂纹扩展实验参照 GB/T 6398—2017《金属质料疲劳实验疲劳裂纹扩展要领》举行：首先预制2 mm 长的疲劳裂纹，，，，，，，然后举行最大载荷 P_max 恒定为2 500 N 的疲劳裂纹扩展实验。。。。。。。。其中，，，，，，，载荷频率 f 为10 Hz，，，，，，，应力比 R 划分为 0.1、0.3 和 0.5，，，，，，，载荷幅（?P=P_max×R）由应力比决议。。。。。。。。通过柔度法丈量裂纹长度，，，，，，，纪录裂纹长度 l 和循环次数 N，，，，，，，通过割线法盘算裂纹扩展速率 dl/dN[15]，，，，，，，如式（1）所示。。。。。。。。

关于 CT 试样，，，，，，，裂纹尖端应力强度因子幅（?K）接纳式（2）举行盘算[15]。。。。。。。。

式中：α=l/b，，，，，，，为试样形状因子。。。。。。。。最后接纳 Paris公式对 dl/dN-?K 曲线举行拟合，，，，，，，Paris 公式如式（3）所示[16]。。。。。。。。

式中：C 和 m 均为与质料性子相关的拟合参数。。。。。。。。

待疲劳裂纹扩展实验竣事后，，，，，，，在 Tescan Clara 扫描电镜下通过二次电子成像对断口外貌形貌举行表征。。。。。。。。二次电子成像的加速电压为 15 kV，，，，，，，加速电流为 300 pA。。。。。。。。

2、 效果与剖析

2.1 微观组织

x-y 平面上质料的微观组织如图 4 所示。。。。。。。。EBSD剖析效果批注，，，，，，，在激光直接沉积 TC4 钛合金内，，，，，，，晶粒呈柱状晶生长，，，，，，，各晶粒呈随机取向漫衍，，，，，，，平均晶粒尺寸为 3.2 μm，，，，，，，如图 4a 所示。。。。。。。。从图 4b 所示的相漫衍图可以看出，，，，，，，质料主要由 α-Ti 组成，，，，，，，可以检测到少量的 β-Ti。。。。。。。。由于 β-Ti 尺寸较小，，，，，，，EBSD 手艺难以区分，，，，，，，因此接纳 BSE 和 EDS 对微观组织举行了进一步表征。。。。。。。。

微观组织的高倍 BSE 形貌如图 5a 所示。。。。。。。？？？？？？梢钥闯，，，，，，，除板条的 α-Ti 以外，，，，，，，尚有少量白色的针状组织。。。。。。。。通过 EDS 线扫描对这些组织的元素含量及漫衍举行了半定量表征，，，，，，，效果如图 5b 所示。。。。。。。？？？？？？梢钥闯，，，，，，，在这些白色的针状组织中泛起了 V 元素的富集。。。。。。。。V 元素是β-Ti 的形成元素，，，，，，，可以推测这些白色相为 β-Ti[17-19]。。。。。。。。

2.2 疲劳裂纹扩展速率

将收罗的裂纹长度和循环次数绘制成 l-N 曲线，，，，，，，如图 6a 所示。。。。。。。。随着载荷循环次数的增添，，，，，，，裂纹长度l 呈指数增添，，，，，，，且增添速率一直增大。。。。。。。。凭证式（1）盘算获得 dl/dN 数值，，，，，，，并与由式（2）盘算获得的?K 值绘制成 dl/dN-?K 曲线，，，，，，，如图 6b 所示。。。。。。。。在双对数坐标下，，，，，，，差别应力比的 dl/dN 与?K 均呈线性关系，，，，，，，即裂纹扩展速率 dl/dN 随应力强度因子幅?K 的增大而增大。。。。。。。。别的，，，，，，，从图 6b 还可以看出，，，，，，，在相同?K 值下，，，，，，，疲劳裂纹扩展速率随应力比的增大而增大。。。。。。。。

接纳 Paris 公式对裂纹扩展速率举行拟合，，，，，，，效果如表 3 所示。。。。。。。。3 种应力比下拟合优度均大于 0.97，，，，，，，拟合水平较好。。。。。。。。在 Paris 公式中，，，，，，，参数 C 可以被以为是y 轴的截距，，，，，，，它依赖于质料的性子；；；；；；；；参数 m 代表斜率，，，，，，，它体现了裂纹扩展速率对外加的应力强度因子幅值ΔK 的敏感度，，，，，，，m 值越大，，，，，，，则质料对 ΔK 的敏感度越高。。。。。。。。

从表 3 可以看出，，，，，，，随着应力比由 0.1 增大到 0.5，，，，，，，参数 C从 1.42×10^?11 降低到 1.21×10^?11，，，，，，，参数 m 从 3.11 增大到3.55，，，，，，，说明随着应力比的增大，，，，，，，质料更容易爆发疲劳裂纹扩展。。。。。。。。这种应力比导致的转变纪律，，，，，，，与古板加工获得的损伤容限型 TC4 钛合金转变纪律相同[20-21]。。。。。。。。

为获得差别应力比下 Paris 参数 m 和 C 的关系，，，，，，，以 m 为纵坐标、lg C 为横坐标绘制成图 7。。。。。。。？？？？？？梢钥闯，，，，，，，2 个参数泛起出较好的线性关系。。。。。。。。通过线性公式m=algC+b₀ 举行拟合，，，，，，，获得 a=?60.02、b0=?5.82，，，，，，，拟合系数 R²=0.88。。。。。。。。从图 7 还可以看出，，，，，，，应力比增大仅仅使数据点沿拟合直线移动，，，，，，，但并未偏离直线，，，，，，，因此应力比的改变并不会影响参数 m 和 lg C 的线性关系。。。。。。。。

这种线性关系在接纳古板工艺加工的钛合金及其他金属质料中也普遍保存，，，，，，，与质料的制造工艺没有显着的依赖性[22]。。。。。。。。

2.3 断口外貌形貌

在扫描电镜下通过二次电子成形对断口外貌形貌举行表征，，，，，，，效果如图 8 所示。。。。。。。？？？？？？梢钥闯，，，，，，，在 3 种应力比下，，，，，，，疲劳裂纹均泛起穿晶扩展模式。。。。。。。。在裂纹扩展历程中泛起了显着的沿特定晶面的解理，，，，，，，因此视察到大宗沿裂纹扩展偏向汇聚的河流名堂。。。。。。。。别的，，，，，，，由裂纹尖端交替钝化和锐化形成的疲劳辉纹也清晰可见。。。。。。。。但在 3 种应力比下，，，，，，，这些特征泛起了一定的差别。。。。。。。。随着应力比的增大，，，，，，，河流名堂更多，，，，，，，疲劳辉纹逐渐变浅，，，，，，，说明并且二次裂纹的数目也随之增添。。。。。。。。

2.4 剖析讨论

在疲劳裂纹扩展历程中，，，，，，，由外载荷改变引起的裂纹闭合效应是质料疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素之一[23-24]。。。。。。。。一样平常以为，，，，，，，应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响主要泉源于裂纹的闭合效应，，，，，，，即在 P_max 恒准时，，，，，，，当应力较量小时，，，，，，，平均应力 P_m=P_max×(1?R)/2 也较小，，，，，，，此时裂纹面接触闭合的时间较长，，，，，，，闭合效应显著；；；；；；；；随着应力比的增大，，，，，，，平均应力随之增大，，，，，，，裂纹的张开位移变大，，，，，，，此时闭合效应会削弱甚至消逝，，，，，，，因此疲劳裂纹扩展速率加速[25]。。。。。。。。显然，，，，，，，这一纪律现实上是由外部载荷因素导致的一定效果，，，，，，，与质料的成形工艺或质料组织类型没有一定的联系。。。。。。。。

在疲劳裂纹扩展历程中，，，，，，，裂纹扩展的驱动力主要泉源于正应力和切应力 2 个分量[26]，，，，，，，如式（4）~（5）所示。。。。。。。。

式中：τ_a为临界平面上的切应力幅；；；；；；；；σ_a 为正应力幅；；；；；；；；σ_max为最大正应力；；；；；；；；σ_n,σ_max为临界平面上的最大正应力。。。。。。。。为权衡正应力与切应力的关系，，，，，，，进而思量2 种应力对疲劳损伤的综合影响，，，，，，，引入临界平面应力比 ρ[26]，，，，，，，如式（6）所示。。。。。。。。

通过式（6）盘算获得应力比为 0.1、0.3 和 0.5时所对应的 ρ划分为 2.22、2.86 和 4.00，，，，，，，说明随着应力比的增大，，，，，，，正应力对疲劳裂纹扩展的作用逐步增大。。。。。。。。由于正应力的保存可以加速疲劳裂纹的扩展，，，，，，，应力比的增大对应较高的 ρ ，，，，，，，提高了正应力在裂纹扩展历程中的加速效果，，，，，，，因此裂纹扩展速率在应力比为 0.5 时最大。。。。。。。。

3、 结论

1）在相同?K 条件下，，，，，，，随着应力比的增大，，，，，，，疲劳裂纹扩展速率增大。。。。。。。。

2）在 Paris 公式中，，，，，，，当应力比由 0.1 增大到 0.5时，，，，，，，参数 C 从 1.42×10^?11 降低到 1.21×10^?11，，，，，，，参数 m从 3.11 增大到 3.55，，，，，，，且 m 和 lg C 呈线性关系（m=-60.021gC-5.82）。。。。。。。。

3）随应力比的增大，，，，，，，断口外貌的河流名堂增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数目增添。。。。。。。。

4）应力比引起的裂纹尖端闭合效应清静面应力比转变是导致裂纹扩展速率爆发改变的主要缘故原由。。。。。。。。

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