增材修复技术凭借“快速成形-原位补材-几何恢复”的优势，已成为航空发动机叶片等高价值金属构件延寿修复的重要手段。尤其在外物损伤等典型服役损伤场景下，激光增材修复（Laser additive manufacturing (LAM) repair）可在恢复构件几何与承载能力的同时，显著降低局部应力集中并延长服役寿命。然而，修复过程中引入的孔隙缺陷，使修复构件疲劳与断裂行为呈现强烈的缺陷敏感性与分散性，给疲劳性能评估与寿命预测带来挑战。

      围绕这一关键工程难题，课题组以“航空发动机压气机模拟叶片增材修复”为对象，开展了构件级“振动疲劳试验-CT&SEM缺陷表征-相场模型预测”的一体化研究。研究通过实验揭示修复后疲劳强度恢复与裂纹扩展机理，并提出可用于工程寿命评估的预测模型框架，为增材修复关键构件的安全服役评估提供新方法。

      值得指出的是，尽管已有研究关注增材制造及增材修复构件的疲劳性能，但在工程应用层面仍面临两项挑战：其一，缺乏清晰、可复现的模型标定流程，难以实现从材料试样到工程构件的可靠外推；其二，CT及SEM断口分析获得的缺陷统计信息尚未被充分纳入疲劳断裂相场模型，难以刻画增材修复构件显著的缺陷敏感疲劳行为。针对上述问题，本研究的创新在于构建了一种孔隙缺陷信息驱动的宏观疲劳断裂相场计算框架：通过将CT&SEM获取的孔隙缺陷统计特征（尺寸、球形度与位置）融入疲劳寿命模型中，实现对修复区域缺陷的等效表征；同时将验证对象从材料级试样拓展至增材修复叶片的构件层面，通过对比振动弯曲疲劳试验结果与疲劳断裂相场模型预测的疲劳极限和临界裂纹长度，验证了预测模型的精度，形成了一套兼具物理合理性与工程可推广性的增材修复构件疲劳性能评估新路径。

      在实验方面，以TC17锻造钛合金压气机模拟叶片为基体，先在前缘引入半圆缺口以模拟外物损伤，再采用激光增材修复计算对缺口区域进行原位修复，并通过打磨、砂磨与抛光恢复叶片几何与表面质量，随后开展振动弯曲高周疲劳试验。实验结果表明：相较于未修复的外物损伤叶片，激光增材修复可使疲劳强度提升约94%，显现出显著的疲劳性能恢复能力。为阐明修复缺陷对疲劳失效的控制作用，课题组进一步采用X射线CT扫描对修复区缺陷进行三维统计表征，并结合SEM断口分析揭示裂纹萌生与扩展机制。CT统计显示，修复区缺陷以小尺寸孔隙为主，超过80%缺陷的等效直径小于60 μm。修复叶片疲劳裂纹往往在修复区缺陷处或与基体的界面处萌生，以穿晶模式扩展，并向着缺陷处发生偏转。裂纹在修复区呈现更快的扩展速率并受缺陷簇影响出现偏折、分叉等特征，而基体区域则呈现不同的扩展形貌与特征。

      在相场模型预测疲劳性能方面，基于融合增材孔隙缺陷的相场模型和修复试样的缺陷疲劳寿命数据，首先在材料试样层面完成参数标定与模型验证，修复试样疲劳寿命预测精度在2倍误差带以内，证明了模型能够捕捉增材修复缺陷对疲劳寿命的影响。然后，将CT扫描的缺陷特征导入疲劳断裂相场模型中，进行增材修复叶片构件的疲劳裂纹萌生与扩展模拟。在高周振动疲劳载荷下，该疲劳断裂相场模型能够复现增材修复叶片疲劳损伤在修复区的局部累积过程，成功预测了裂纹优先在修复区萌生并向基体扩展的演化特征。最后，相场模拟预测的疲劳极限和临界裂纹长度与实验结果误差均小于10%，且裂纹扩展前缘形貌与CT扫描结果一致，验证了该模型在增材修复构件级疲劳性能评估中的准确性。

      该研究以“Additive-manufacturing repair towards restoring fatigue performance of metallic component: Experiment and phase-field model prediction”为题，发表于Journal of the Mechanics and Physics of Solids。南京航空航天大学易敏教授为论文通讯作者，博士研究生汤卫为第一作者。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2025.106456