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作者及机构
本研究由State University of New York at Binghamton的Dayue Jiang与Fuda Ning（通讯作者）合作完成，发表于《Journal of Manufacturing Science and Engineering》2021年9月刊（Volume 143, Issue 9）。

学术背景
本研究聚焦于增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，具体探讨通过“打印-脱脂-烧结”（Printing-Debinding-Sintering, PDS）工艺制备316L不锈钢的疲劳性能。传统金属增材制造技术（如激光粉末床熔融）存在高能耗、高设备成本等问题，而PDS工艺因其低成本和高效材料利用率成为新兴替代方案。然而，PDS成型金属部件的疲劳性能研究尚未深入。316L不锈钢因其优异的耐腐蚀性和高温强度，广泛应用于航空航天、生物医疗等领域，但其动态载荷下的可靠性需进一步验证。本研究旨在揭示PDS工艺参数、微观结构与疲劳性能的关联性，填补该领域研究空白。

研究流程与方法
1. 材料制备与PDS工艺
- 材料：采用BASF的Ultrafuse 316L金属丝（直径2.85 mm，金属含量88 wt%），以聚甲醛（POM）为粘结剂，316L粉末粒径30–50 μm。
- 打印：使用LulzBot TAZ6桌面FFF打印机，参数优化为喷嘴温度240°C、层厚0.2 mm、100%填充密度。考虑烧结收缩率（X/Y方向17.5%，Z方向14.5%），设计时引入放大因子（X/Y:1.21，Z:1.17）。
- 脱脂与烧结：催化脱脂（120°C硝酸气体）去除97%粘结剂，随后在氢气气氛中烧结（最高1380°C保温3小时），升温速率5°C/min，关键温度节点包括450°C（去除POM）和600°C（去除添加剂）。

1. 微观结构表征

   • 密度测量：采用阿基米德法测定相对密度（平均95.6%）。
     
   • 显微分析：通过光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）观察晶粒形貌与孔隙分布，使用Marble试剂蚀刻显示晶界，按ISO 643:2019标准测量晶粒尺寸（平均40.5±6.9 μm）。
     

2. 疲劳性能测试

   • 拉伸与弯曲疲劳：依据ASTM E466-15和ISO 7438:2016标准，分别测试轴向（应力水平80–120 MPa）和三点弯曲（100–150 MPa）疲劳性能，频率30 Hz，应力比R=0.1，每组至少5个样本。
     
   • 疲劳裂纹扩展（FCG）：采用紧凑拉伸（CT）试样（ASTM E647-00标准），预裂长度≥1 mm，测试频率10 Hz，记录裂纹长度与循环次数关系，计算裂纹扩展速率（da/dN）与应力强度因子范围（ΔK）。
     

3. 数据分析

   • 通过Paris模型（da/dN = C(ΔK)^m）拟合裂纹扩展曲线，确定材料常数C与m。
     
   • 结合SEM断口分析，解析孔隙诱导裂纹与滑移带裂纹的扩展机制。
     

主要结果
1. 微观结构特征
- 烧结件呈现等轴晶（图4a），晶界分布Cr-C相（图4b）和1–5 μm孔隙（图4d），孔隙率导致相对密度低于理论值（95.6% vs. 8.00 g/cm³）。

1. 疲劳性能
   
   • 拉伸疲劳：120 MPa应力下寿命仅1.05×10^4次循环，100 MPa时提升至1.04×10^5次，80 MPa未断裂（>10^6次）。断口分析显示表面大孔隙（30–50 μm）加速裂纹扩展（图5d），而内部小孔隙（图5b）因晶界阻碍扩展较慢。
     
   • 弯曲疲劳：150 MPa下寿命1.37×10^5次，裂纹沿水平方向扩展（垂直于载荷方向），归因于FFF层间空隙的屏障效应（图6）。晶粒孪生（图7e）缓解塑性变形。
     
   • FCG行为：ΔK阈值（ΔK_th）为2.80–3.30 MPa·m^1/2，稳定扩展阶段（阶段II）的Paris参数C=1.21×10^-10，m=3.02（图8b）。粗晶粒导致裂纹路径偏转（图9c–f），降低疲劳寿命。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统阐明PDS工艺对316L不锈钢疲劳性能的影响机制，揭示孔隙分布与晶界结构对裂纹扩展的协同作用。
- 提出打印方向与载荷方向的匹配策略，为优化PDS工艺参数提供理论依据。

1. 应用价值
   
   • PDS工艺成本仅为激光增材制造的1/4（设备成本6–10万美元 vs. 25万美元），适合小批量生产与预算有限的场景。
     
   • 通过表面处理（如研磨）减少孔隙，可进一步提升疲劳强度，扩展其在动态载荷部件（如涡轮叶片）中的应用。
     

研究亮点
1. 创新性方法：结合FFF打印与催化脱脂-烧结工艺，实现低成本金属部件制造，并建立完整的疲劳性能评价体系。
2. 关键发现：发现层间空隙抑制弯曲载荷下的裂纹垂直扩展，为设计抗疲劳结构提供新思路。
3. 跨学科意义：将材料科学（微观结构表征）与力学（疲劳裂纹模型）结合，推动增材制造可靠性研究。

其他有价值内容
- 研究得到纽约州立大学宾汉姆顿分校的启动资金及S3IP中心支持，数据可向通讯作者申请获取。
- 未来研究方向包括后处理工艺优化（如热处理）与晶粒细化，以进一步提升性能。