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增材–减材混合制造(additive–subtractive hybrid manufacturing, ASHM)可快速制备具有复杂精密几何形状的金属构件，适用于即用或近即用场合。激光丝材定向能量沉积(laser wire-directed energy d
增材–减材混合制造(additive–subtractive hybrid manufacturing, ASHM)可快速制备具有复杂精密几何形状的金属构件，适用于即用或近即用场合。激光丝材定向能量沉积(laser wire-directed energy deposition, LW-DED)可快速成形金属件，而数控(computer numerical control, CNC)加工可实现精确几何公差。本研究采用LW-DED工艺结合CNC加工制备Ti-6Al-4V合金试样，评估ASHM对力学性能的影响。制备后研究人员通过维氏显微硬度(micro-hardness)测绘、单调拉伸试验及全反向轴向疲劳试验评价材料性能。维氏显微硬度测绘显示ASHM Ti-6Al-4V硬度范围为300～350 HV且沿沉积高度分布均匀。拉伸结果显示其响应与铸锻Ti-6Al-4V相似，屈服强度平均819.4 MPa、极限抗拉强度935.5 MPa、弹性模量119 GPa。疲劳试验表明材料疲劳寿命低于锻态Ti-6Al-4V，归因于增材工艺引入的缺陷。虽未观测到无限寿命(run-out)，疲劳结果与其他增材制造Ti-6Al-4V报道趋势一致。全反向高周疲劳加载下，ASHM制备Ti-6Al-4V符合Basquin幂律拟合，疲劳强度系数(fatigue strength coefficient)为1942 MPa，疲劳强度指数(fatigue strength exponent)为?0.115。ASHM材料疲劳寿命取决于LW-DED工艺导致的材料孔隙率。
论文解读：激光丝材定向能量沉积(LW-DED)与数控(CNC)切削混合增材/减材制造(ASHM) Ti-6Al-4V钛合金的疲劳行为
Ti-6Al-4V（Grade 5钛合金）因其高比强度、耐高温成形性及可加工性广泛应用于航空发动机部件、起落架及尾锥等。增材制造(additive manufacturing, AM)可快速成形复杂几何，其中激光粉末床熔融(laser powder bed fusion, L-PBF)、激光工程净成形(laser engineered net shaping, LENS)及直接能量沉积(directed energy deposition, DED)已广泛用于Ti-6Al-4V研究。已有研究表明AM Ti-6Al-4V拉伸性能可与锻材相当，但疲劳寿命受表面质量和内部微孔(void/porosity)显著影响。丝材进料激光DED(laser wire DED, LW-DED)相比粉末基DED孔隙率较低，但关于丝基LW-DED与CNC结合的增材/减材混合制造(additive–subtractive hybrid manufacturing, ASHM)对Ti-6Al-4V疲劳响应的系统研究仍较缺乏。现有ASHM研究多关注尺寸精度或粉末基体系，缺乏对丝基ASHM成品态(ready-to-use)构件拉伸与疲劳性能的表征。因此，研究人员开展本研究，采用LW-DED沉积结合CNC精加工制备Ti-6Al-4V狗骨状试样，系统评价其显微组织、硬度、单调拉伸及全反向(R=?1)轴向疲劳行为，建立工艺–性能关系，明确LW-DED引入的孔隙率为疲劳性能主导因素，为ASHM Ti-6Al-4V在疲劳关键件中的应用提供基准数据。该论文发表于《Metals》。
研究人员采用φ1 mm Ti-6Al-4V焊丝在76×76 mm Ti-6Al-4V基板上，使用Phillips Meltio-Haas三轴CNC ASHM系统进行LW-DED沉积（激光功率1050 W，氩气保护30 L/min，送丝速率16.8 mm/s，扫描速度546 mm/min，0°/90°光栅角，层间冷却40 s），获得25×19×70 mm沉积块；冷却后采用φ12.7 mm硬质合金立铣刀CNC加工为狗骨状拉伸/疲劳试样（参照Avery等几何），线切割(wire electrical discharge machining, EDM)分离，240～600号砂纸逐级研磨去除重铸层；硬度采用EmcoTest Vickers硬度计按ASTM E92-23做16×3网格压痕(50 N)；金相样品导电镶嵌、逐级磨抛至0.02 μm胶体硅振动抛光48 h，用JEOL SEM观察组织与断口，按ASTM E112截线法测晶粒尺寸，Keyence显微镜软件统计孔隙(面积分数、尺寸、长宽比)；拉伸试验按ASTM E8于MTS 45电液伺服机位移控制(标称应变率0.001 s?1)，配5 mm引伸计；疲劳试验于MTS液压伺服机载荷控制，正弦波全反向(R=?1)，频率10 Hz，峰值应力400～800 MPa，目标循环数107，液压夹具夹持压力9 MPa，环境25 ℃、56% RH。
3.1. Microstructure and Micro-Hardness
研究人员通过SEM与光学显微镜观察发现LW-DED沉积形成沿沉积方向(z轴)生长的柱状晶(columnar grains)，平均晶粒直径5.6 μm（ASTM E112截线法晶粒尺寸编号12.01）。截面可见弥散分布于体内的孔隙，直径多为1～250 μm（平均6.7±2 μm，标准差21 μm），个别大孔达1 mm（源于熔合不良或未熔透），孔隙面积分数约0.35%，平均长宽比0.55。维氏硬度图显示沉积块顶部与底部平均硬度分别为327 HV和328 HV，范围300～350 HV，沿高度方向无明显梯度。根据Tabor关系由硬度预测极限抗拉强度(ultimate tensile strength, UTS)约1070 MPa，实测UTS为935.5 MPa，差值归因于孔隙引起的强度折减，基体硬度已达常规Ti-6Al-4V水平。
3.2. Experimental Tensile Behavior
研究人员对3个拉伸试样测试得到：屈服强度(yield stress, σ0.2)平均819.4 MPa，UTS平均935.5 MPa，弹性模量(modulus of elasticity, E)平均119 GPa，断后延伸率有最大离散性（变异可达11%）。拉伸性能与铸态及部分锻态Ti-6Al-4V相当，延伸率波动归因于孔隙随机分布导致微孔洞聚合加速裂纹萌生。典型拉伸断口呈杯状剪切脊韧窝形貌，为典型延性断裂。
3.3. Experimental Fatigue Behavior
研究人员在峰值应力400～800 MPa下进行13组全反向疲劳试验，未出现107次无限寿命(run-out)。数据按Basquin公式σa=σf'(2Nf)b拟合得疲劳强度系数(σf')≈1942 MPa，疲劳强度指数(b)≈?0.115，S–N曲线整体低于锻态Ti-6Al-4V但与其他熔化基AM Ti-6Al-4V趋势吻合。疲劳寿命在高周区随应力降低急剧下降，归因于LW-DED工艺诱生孔隙。典型700 MPa失效试样(9532 cycles)断口分析显示裂纹起源于表面连通孔隙(√area≈60～80 μm)，位于距表面开口处，符合Murakami √area法预测；稳定扩展区可见典型疲劳条带(striation spacing 0.3～0.5 μm/cycle)，穿越原始β柱状晶及α片层团(colony)，穿晶扩展伴局部偏转；CNC加工痕迹经600目研磨已被消除，未成裂纹源，确认失效受LW-DED体积孔隙控制而非机加表面质量。与文献中同丝基LW-DED不同沉积策略（点-线vs连续光栅）对比说明工艺路径影响缺陷尺寸分布进而决定疲劳响应。
Conclusions（结论部分翻译）
增材/减材混合制造(ASHM)可快速生成近净形构件，经少量研磨抛光即可待用。本研究采用LW-DED结合CNC加工制备Ti-6Al-4V试样评价拉伸与疲劳性能。LW-DED沉积块呈现柱状晶组织（晶粒~5.6 μm）及均匀弥散孔隙（1～250 μm，个别大孔达1 mm），硬度300～350 HV且沿沉积高度均一。拉伸性能与铸/锻Ti-6Al-4V相当，但延伸率离散度较大(最高11%)，归因于孔隙促进微孔洞聚合加速开裂。疲劳寿命低于锻材，与其他熔化基AM方法一致，LW-DED诱生的孔隙充当高周疲劳下裂纹萌生与扩展源；600目研磨虽去除EDM重铸层及CNC刀痕，但未能消除表面露头孔隙，限制了疲劳性能提升。可通过工艺参数优化及焊后致密化（如热等静压hot isostatic pressing, HIP或热处理）减少体积孔隙。尚需进一步研究打印速度对微观组织的影响。
