近日，材料和工程领域一区期刊《International Journal of Fatigue》发表了上海交通大学研究团队关于激光粉末床熔融（LPBF）制备TiB₂/AlSi7Mg复合材料的静态力学与疲劳行为的研究成果。第一作者为上海交通大学施祎博士，通讯作者为上海交通大学王洪泽副教授、吴一高级工程师，及苏州国家实验室杨慧慧博士。

该成果利用微旷科技的X射线显微CT技术，对高周疲劳加载后的未失效试样进行了检测，表征了其内部缺陷分布特征。结合显微CT三维无损表征结果，系统揭示了内部缺陷特征与疲劳性能之间的关联机制，为纳米颗粒增强LPBF铝基复合材料的缺陷容限评估提供了关键实验依据。

论文标题: “Defect-informed fatigue behavior of LPBF TiB2/AlSi7Mg composite: Failed and unfailed specimen analysis”（基于缺陷特征的激光粉末床熔融TiB₂/AlSi7Mg复合材料疲劳行为：失效与未失效试样分析）

1. 研究摘要

本文系统研究了激光粉末床熔融（LPBF）制备TiB₂/AlSi7Mg复合材料的静态力学与疲劳行为，重点揭示了基于缺陷特征的疲劳作用机制。研究通过拉伸与疲劳试验表征了材料的力学响应，对失效试样开展了扫描电子显微镜（SEM）断口分析，同时采用X射线计算机断层扫描（CT）技术，分析了经10⁷次循环仍未失效试样的内部缺陷与损伤特征。结果表明：材料的屈服强度与抗拉强度数据离散性小，对缺陷的敏感性弱；而断后伸长率呈现出显著的两极分化特征，说明其强烈依赖于局部缺陷的严重程度。在200~215 MPa的低应力水平下，疲劳寿命出现明显的两极分化现象：短则10⁵失效，长则10⁷未断裂。短寿命失效主要由表面开口型制造缺陷控制，而寿命相对较长的失效试样则主要由微观组织相关的裂纹萌生主导，证明了两种相互竞争的萌生机制共存。显微CT三维表征结果表明，即使在经历10⁷次循环后，试样内部仍存在尺寸可观的缺陷及局部类微裂纹损伤，但这些缺陷在目标寿命内未发展为主控裂纹，表明材料在高周疲劳条件下对内部缺陷具有一定容限能力。此外，本文引入Z-parameter（与成形方向 Z 轴无关）作为基于缺陷特征的疲劳表征参数，实现了对失效与未失效试样的统一刻画；结合Paris型裂纹扩展规律，系统分析了该参数与疲劳寿命之间的定量关联关系，为LPBF TiB₂/AlSi7Mg复合材料的缺陷容限评价建立了具有物理一致性的断裂力学框架。

2. 研究材料与显微CT实验方法

2.1 研究材料

本研究以原位盐-金属反应法结合氦气雾化工艺制备的TiB₂/AlSi7Mg复合粉末为原材料，经激光粉末床熔融（LPBF）工艺制备了A块体（90×20×20 mm）和B块体（110×3×24 mm），A块体用于加工拉伸试样，B块体用于制备疲劳试样。

图1.LPBF试样：(a) LPBF成形块体示意图；(b) 疲劳试样几何尺寸；(c) 拉伸试样几何尺寸；(d)-(g) 光学显微镜与扫描电子显微镜下沿XOZ、XOY方向的显微组织观察结果。

2.2 显微CT实验方法

为进一步观察高周疲劳寿命（≥10⁷次循环）试样的内部特征，统计缺陷分布，采用微旷科技XPloreVista 2000显微CT对未失效试样进行CT扫描。CT扫描参数为：电压80 kV，电流90 μA，曝光时间1s，体素分辨率3.705 μm。

本研究中共有8根试样未发生断裂，其对应的最大应力水平和数量汇总于表1，未失效试样的平均最大应力水平约为210.6 MPa。本实验重点选取了225 MPa和215 MPa较高应力水平下的3根试样，通过X射线CT扫描统计分析了未失效试样中心区域的缺陷分布。

表1. 未失效试样结果汇总。

3. 显微CT研究结果

3.1 缺陷整体分布与尺寸特征

重点分析的225 MPa、215 MPa高应力下3根未失效试样，内部缺陷平均等效直径集中在 21.47~22.14 μm，其中等效直径小于30 μm的缺陷占比超85%，大于50 μm的大尺寸缺陷占比仅约1%，整体孔隙率极低，仅为0.0121%~0.0163%；试样内可检测到的最大缺陷等效直径达72.42~92.08 μm，证实未失效试样内部仍存在尺寸可观的缺陷。

3.2 缺陷空间位置的核心规律

所有检测到的大尺寸临界缺陷均位于试样内部，而非引发疲劳失效的表面/近表面区域；结合断裂力学原理，相同尺寸下内部缺陷的应力强度因子、裂纹扩展速率远低于表面开口型缺陷，这是大尺寸内部缺陷未引发试样失效的核心原因，也直接证明该材料在10⁷次循环尺度下对内部缺陷具备有限但明确的容限。

3.3 缺陷形貌与微损伤特征

缺陷球形度分布范围为0.3~0.9999，其中高球形度特征对应近球形的气体孔隙，低球形度的不规则、细长/连通形态对应未熔合缺陷；CT结果同时观察到，部分低球形度缺陷周边形成了循环加载诱发的局部类微裂纹损伤，甚至出现双区域连通的缺陷形貌，但这些早期微裂纹与内部缺陷在10⁷次目标寿命内均未发展为可主导试样失效的主控裂纹。

图2. (a) 缺陷三维渲染结果；(b) CT扫描区域示意图；(c) #6试样的缺陷等效直径分布；#6试样的CT切片：(d)(e) ZOX方向；(f) ZOY方向。

图3. 2 mm×6 mm截面内等效直径大于50 μm的缺陷空间分布：(a) #6试样；(b) #10试样；(c) #12试样。

图4. (a) XOZ方向的三维渲染结果；(b) CT扫描区域示意图；(c) #10试样的缺陷等效直径分布；(d)(e)(f)(g) #10试样的缺陷切片与渲染结果。

图5. (a) XOZ方向的三维渲染结果；(b) CT扫描区域示意图；(c) #12试样的缺陷等效直径分布；(d)(e)(f)(g) #12试样的缺陷切片与渲染结果。

3.4 缺陷容限的量化评估结果

结合基于缺陷特征的Z-parameter分析框架，对内部大尺寸缺陷的疲劳容限进行了定量评估。结果显示：缺陷位置指数β_location越大，内部缺陷的Z值降低越显著，材料对内部缺陷的容限越高；当β_location取0.25时，部分内部缺陷处于潜在不可容限区间，β_location提升至0.50时可容限缺陷占比显著增加，β_location取0.85时所有检测到的内部缺陷均处于可容限范围；扩展的Z-N关系可对疲劳失效与未失效行为进行统一、自洽的解释，为该材料的缺陷容限评估提供了量化依据。

图6. 扩展的Z-N 曲线及大尺寸内部缺陷评估结果：(a) β_location = 0.25；(b) β_location = 0.5；(c) β_location = 0.85。

4. 研究结论

本文通过力学性能测试、SEM断口分析、未失效试样X射线CT表征和基于缺陷特征的疲劳寿命分析，系统研究了LPBF成形TiB₂/AlSi7Mg复合材料的静态力学与疲劳行为，主要结论如下：

（1）显微CT结果表明，经10⁷次循环仍未失效试样内部仍存在尺寸较大的缺陷及局部类微裂纹特征，但这些缺陷在目标寿命内未发展为主控裂纹，表明材料在高周疲劳条件下对内部缺陷具有一定容限。

（2）结合断口分析发现，短寿命失效主要由表面开口型制造缺陷主导，而内部缺陷由于裂纹驱动力较低，在相同尺寸条件下更不易主导疲劳失效，体现出表面缺陷与内部缺陷之间的竞争关系。

（3）基于CT获得的缺陷尺寸与空间位置信息，Z-parameter可对失效与未失效试样进行统一分析，为增材制造材料的缺陷容限评估提供了具有物理依据的定量分析方法。

原始文献：

Shi Y, Xiao Y, Zhao J, et al. Defect-informed fatigue behavior of LPBF TiB2/AlSi7Mg composite: Failed and unfailed specimen analysis[J]. International Journal of Fatigue, 2026: 109617.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2026.109617