0 引言

在高端装备制造向高可靠性、长寿命方向发展的背景下，增材制造金属零件因设计自由度高、成形复杂结构能力强，在航空航天、轨道交通等领域的应用需求持续增长。然而，该类零件在成形过程中易产生内部孔隙、表面粗糙度高、残余应力集中等问题，导致其疲劳性能相较于传统锻造零件存在明显差距，成为限制其在高应力服役场景中规模化应用的核心瓶颈。提升增材制造金属零件的疲劳性能，不仅能延长零件使用寿命、降低装备运维成本，更对推动增材制造技术向高端制造领域深度渗透具有重要意义。因此，深入解析疲劳性能的关键影响因素，构建科学有效的性能提升技术体系，对突破当前应用限制、拓展增材制造金属零件的服役边界具有重要价值。

1 增材制造金属零件疲劳性能的关键影响因素解析

1.1 打印工艺参数对疲劳性能的作用机制

打印工艺参数是决定增材制造金属零件疲劳性能的基础因素，其设置合理性直接影响零件成形质量与内部结构稳定性。激光功率过低易导致金属粉末熔化不充分，形成未熔合缺陷，这些缺陷在受力时易成为裂纹萌生源，显著降低零件抗疲劳能力；功率过高则可能引发局部过热，造成晶粒粗大，加剧材料性能不均匀性。扫描速度与层间温度的匹配度同样关键，扫描速度过快会缩短粉末受热时间，导致层间结合不紧密，形成层间裂纹；层间温度控制不当则会引发热应力累积，增加零件内部微裂纹产生的风险。不同工艺参数的耦合作用还会影响熔池形态与凝固过程，进而改变零件的力学性能分布，最终对疲劳寿命产生显著且复杂的影响^[1]。

1.2 零件内部微观结构与缺陷的影响

增材制造金属零件的内部微观结构与缺陷是支配其疲劳性能的核心内在因素。微观结构方面，成形过程中的快速加热与冷却会形成独特的晶粒形态，细晶组织通常能提升材料的强度与韧性，增强抗疲劳能力，而粗大晶粒或柱状晶则易导致应力集中，降低疲劳寿命。内部缺陷对疲劳性能的影响更为直接，孔隙是最常见的缺陷类型，即使是微小孔隙也会在循环载荷作用下产生应力集中效应，加速裂纹的萌生与扩展；此外，夹杂、未熔合、微裂纹等缺陷的存在，会进一步削弱零件的结构完整性，使疲劳失效风险大幅上升。缺陷的尺寸、数量、分布位置不同，对疲劳性能的削弱程度也存在差异，通常缺陷越靠近零件表面或受力集中区域，对疲劳寿命的影响越显著。

1.3 打印后表面质量与残余应力的作用

打印后零件的表面质量与内部残余应力，对其疲劳性能具有不可忽视的重要作用。表面质量方面，增材制造过程中形成的表面粗糙度较高，伴随的台阶效应、飞溅物、微凹坑等表面缺陷，会在零件表面形成大量应力集中点，循环载荷下这些点极易成为疲劳裂纹的起始位置，显著缩短疲劳寿命。同时，表面氧化层或污染物的存在，会加剧材料的腐蚀疲劳，进一步降低抗疲劳性能。残余应力方面，增材制造的层状堆积特性与不均匀热场，易使零件内部产生复杂的残余应力，拉应力的存在会叠加外部载荷，加速裂纹扩展；而压应力则能在一定程度上抵消外部拉应力，延缓裂纹萌生，提升疲劳性能。残余应力的分布状态与大小，直接影响零件在服役过程中的应力叠加效应，进而决定其疲劳性能表现^[2]。

2 增材制造金属零件疲劳性能的提升技术与调控策略

2.1 打印过程的工艺优化技术

打印过程的工艺优化是从源头提升金属零件疲劳性能的核心手段，需围绕参数协同与路径规划形成系统性方案。在参数优化方面，通过调整激光功率、扫描速度、层间温度等关键参数，控制熔池凝固速率与成形质量，减少因参数不匹配导致的内部孔隙、未熔合等缺陷；同时采用参数自适应调整技术，根据不同区域的成形需求动态优化参数组合，确保零件整体成形均匀性。在路径规划上，通过科学优化扫描路径的走向角度、间距大小及填充方式，有效分散成形过程中产生的热应力与机械应力，减少局部应力集中现象，从根本上避免因路径交叉重叠、方向突变引发的微观裂纹与结构缺陷；此外，引入基于零件服役应力分布的分区打印策略，针对高应力关键区域采用更密集的路径规划与更高的成形精度，显著提升局部结构的致密度、均匀性及力学性能，为后续疲劳性能的全面提升筑牢基础^[3]。

2.2 打印后处理强化方法

打印后处理强化是弥补成形缺陷、提升金属零件疲劳性能的关键环节，需结合零件特性选择适配的处理方式。热等静压技术通过在高温高压环境下对零件进行处理，可有效消除内部孔隙与微裂纹，改善微观组织均匀性，显著提升零件的抗疲劳能力；激光冲击强化则利用高能激光诱导的冲击波在零件表面形成残余压应力层，抑制裂纹萌生与扩展，同时细化表层晶粒，增强表面硬度与耐磨性。表面精整技术通过机械研磨、电化学抛光等方式，降低零件表面粗糙度，消除表面氧化层与微凸起，减少应力集中源，从表面质量优化层面提升疲劳性能，形成“内部缺陷消除-表层强化-表面精整”的综合后处理强化体系。

2.3 疲劳性能的精准调控策略

疲劳性能的精准调控需建立“因素-性能”的关联机制，实现从微观到宏观的全维度调控。在微观结构调控上，通过控制打印与后处理过程中的温度场、应力场，调整晶粒尺寸与形态，形成细晶或择优取向的微观组织，提升材料本身的抗疲劳特性；同时结合缺陷抑制技术，通过工艺优化与后处理协同，将内部孔隙率、裂纹尺寸控制在极低水平，减少疲劳裂纹萌生源。在应力释放与分布优化方面，采用局部热处理、振动时效等方式，消除成形过程中产生的残余拉应力，引入有益的残余压应力；针对零件服役时的应力分布特征，通过结构设计优化与局部强化结合，使应力集中区域与高疲劳性能区域精准匹配，实现疲劳性能的定向、高效调控。

3 结语

围绕增材制造金属零件疲劳性能提升，研究系统解析了打印工艺参数、微观结构与缺陷、表面质量及残余应力的影响机制，构建了涵盖打印过程工艺优化、打印后处理强化、疲劳性能精准调控的完整技术体系，形成了从源头控制到后期强化的全链条提升路径，为提升零件疲劳性能提供了系统解决方案。随着增材制造技术向高精度、高可靠性方向发展，疲劳性能提升将更注重多技术协同与智能化调控。本研究成果可支撑增材制造金属零件在高端装备领域的安全应用；后续可进一步深化复杂工况下的性能调控机制，推动技术向更高效、更适配实际服役需求的方向发展。

参考文献

[1]张阳军,陈英.金属材料增材制造技术的应用研究进展[J].粉末冶金工业, 2018, 28(1):5.

[2]张瑞.基于CMT的铝合金电弧增材制造(3D打印)技术及工艺研究[D].南京理工大学,2016.

[3]周宸宇,罗岚,刘勇,等.金属增材制造技术的研究现状[J].热加工工艺, 2018, 47(6):6.