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華中科技大學增材制造頂刊：激光粉床熔合AlSi10Mg合金的顯微組織與力學性能相關性綜述

2022-05-30 16:20:11 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

激光粉床熔合（LPBF，也稱為選擇性激光熔化，簡稱 SLM）是最常用的金屬增材制造（AM）技術之一。在構建零件時，一個或多個激光束掃描并熔化先前沉積在構建平臺上的粉末，遵循規定的掃描路徑以實現設計的 3D 幾何形狀。當前的粉末層被選擇性地熔化并凝固后，鋪設另一層粉末，激光掃描繼續進行。這樣的操作將被重復，直到整個部分被構建。因此，LPBF 金屬由冶金熔合層組成，具有與激光焊接工藝相同的一些特性，同時具有更高的冷卻速度。

隨著金屬增材制造的發展，許多其他鋁合金成分已被嘗試用于 LPBF，已經取得了一些成功，例如 Al 7075+Zr、Al-Zn-Mg-Cu、Al-Cu 、Al-Mg-Si-Zr、Al-Mg-Si-Sc-Zr、Al-Mn-Si-Sc-Zr 、Al- Li 、Al-Cu-Mg-Li-Zr、Al-Mg-Sc-Zr、Al-Zn-Mg-Sc-Zr 、Al 5083 、Al 6061、Al 6063 和經過修飾的 Al-Si 合金。值得注意的是，考慮到AlSi10Mg 的成熟度相對較高，這篇綜述文章專門針對 AlSi10Mg，在堅實的研究數據基礎上尋求微觀組織與力學性能之間的綜合關系，并提出進一步發展的前景。

事實上，LPBF AlSi10Mg 已經研究了 10 多年，文獻中記錄了相當豐富的數據，可以了解其微觀結構，缺陷，強度，延展性，斷裂和抗疲勞性。源自激光金屬增材制造的固有特性，例如高冷卻速率（高達 106 K/s ）、強溫度梯度（大約 106 K/m ）和復雜激光粉末熔池相互作用的相互依賴動力學，LPBF AlSi10Mg 表現出分層、跨尺度和異質的微觀結構、不可忽略的孔隙率（盡管約為 0.1% ）和較明顯的殘余應力。所造部件的延性相對較低（一般低于10%），抗疲勞性能不理想，兩者仍然涉及相當大的散點。為了解決這些問題，人們致力于開發基于熱處理或熱機械處理的后處理，例如直接退火、類T6熱處理、熱等靜壓（HIP）或摩擦攪拌處理（FSP）。到目前為止，可以提高延性和抗疲勞性能的同時保持初始的高強度的細化顯微組織。然而，有一些可能令人滿意的折衷方案，例如在攪拌摩擦加工后，延展性提高了 448%，疲勞壽命提高了兩個數量級，而屈服強度僅降低了 34%。

盡管如此，研究人員仍在繼續探索 LPBF AlSi10Mg，他們所付出不僅來自工業界尋求進一步工藝參數優化的巨大努力，而且來自研究微觀結構和機械性能之間聯系的材料力學領域的巨大努力。這兩種努力的結合將允許建立從最佳工藝參數到健全的微觀結構，最后到所需的機械性能或功能的路線圖。特別是隨著機器學習（ML）或深度學習（DL）的發展，研究人員開始尋求最佳參數，評估內部孔隙缺陷并使用 ML 方法預測力學性能，豐富的金屬增材制造數據構成一個完美的數據庫。此外，使用先進的原位測試技術，通過透射掃描顯微鏡（TEM）、同步加速器 X 射線衍射（SXRD）或中子衍射，獲得了基本變形機制、相間內應力分配和變形過程中初始孔隙度的演化，以定性或定量地探究。因此，微觀結構與力學性能之間的綜合相關性具有重要意義，將是未來研究的重點。

華中科技大學李振環教授團隊這篇綜述將主要集中在材料鑄態，研究的力學性能主要是機械加工或拋光的樣品，旨在專門了解核心微觀結構和內部缺陷在確定機械性能中的作用，同時消除構建表面粗糙度和加工缺陷的影響（特別是疲勞性能評定）。本綜述將集中于已構建的LPBF AlSi10Mg，系統地解決微觀組織、缺陷、強度、延性（強化和損傷機制）、斷裂韌性、疲勞抗力及其相關性，據作者稱，這些在其他文獻中尚未完全建立。綜述第2節簡要概述LPBF AlSi10Mg的微觀結構，討論一些影響微觀結構的因素。第3節簡述了孔隙率的形成條件與獲得所需孔隙率的操作。隨后，對于材料的強度與延展性（第4節）、抗斷裂性（第5節）、抗疲勞性（第6節）等特征進行綜述，并通過塑性行為的建模和仿真來理解LPBF AlSi10Mg的力學響應。在第8節指明了研究的遺留問題和進一步工作的展望。第9節為綜述的總結部分。相關研究成果以題“Review on the Correlation Between Microstructure and Mechanical Performance for Laser Powder Bed Fusion AlSi10Mg”發表在增材頂刊Additive Manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422003116

（1）隨著先進表征技術的應用，LPBF AlSi10Mg 的微觀結構特征得到了全面的描述。此外，已經建立了工藝策略和微觀結構特征之間的基本定性相關性。

（2）由于復雜激光粉末熔池相互作用的相互依賴動力學，無法完全消除初始孔隙。然而，通過參數優化，孔隙率已經可以降低到一個較低的水平。即使使用機械制造商推薦的參數，也可以實現非常高密度的成品零件。

（3）屈服強度、應變硬化、損傷和斷裂抗力與顯微組織形態和細度的關系已被闡明。各向異性強度主要由富硅細長胞狀網絡誘導，而各向異性斷裂韌性主要來自熔池排列。低的初始孔隙率似乎對強度和延性的影響非常有限。

（4）疲勞失效通常分別從低到高周疲勞和極高周疲勞狀態下的表面缺陷和內部缺陷（即孔隙或氧化物）開始。與孔隙率相似但機械強度較低的后處理材料相比，鑄態材料具有更高的抗疲勞性。由于缺乏融合缺陷的不利取向，垂直樣品通常呈現較低的疲勞強度。

（5）已經提出了一種解決塑性變形的多尺度建模方案。這種建模策略對于描述 LPBF AlSi10Mg 的跨尺度、分層和異質微觀結構的力學行為是適當和必要的。

圖1：鑄態（a）和建成 LPBF （b） AlSi10Mg 的典型顯微組織。請注意，比例尺在（a）和（b）中具有相同的物理長度。

圖2:LPBF AlSi10Mg 微觀結構的跨尺度方面，從埃大小的溶質原子、納米顆粒和亞微米厚的胞狀網絡，到微米大小的晶粒和熔池。

圖3:制備的LPBF AlSi10Mg富Si共晶的FIB/SEM層析。構建平臺溫度為35°C （a）和200°C （b）的熔池核心區的3D繪制（3.5 × 3.4 × 2.5 μm），以及從35°C材料重建體（C）中出來的兩個長管狀胞狀結構的可視化。圖經Elsevier許可轉載。

圖4:LPBF AlSi10Mg 微觀結構的分級特征示意圖。

圖5:搭建平臺溫度對LPBF AlSi10Mg組織的影響。35℃時熔池邊界（a）、富硅網絡（c）和納米顆粒（e）， 200℃時熔池邊界（b）、富硅網絡（d）和納米顆粒（f）。圖經Elsevier許可轉載。

圖6:印后熱處理對LPBF AlSi10Mg組織的影響。

圖7:顯示不同時刻粉末運動的動態 X 射線圖像（a）-（c），顯示金屬蒸氣氣體在不同時刻運動的紋影高速圖像（d），模擬熔池動力學由于飛濺物的激光噴射（e）和飛濺物與熔池之間的正面碰撞（f），超高速 X 射線成像揭示了高能量密度下的小孔凹陷和不穩定性（g）-（j） . 這些數字經 Elsevier、Springer Nature 和 AAAS 許可轉載

圖8:LPBF AlSi10Mg 中存在的典型孔隙率。球形和不規則形狀的孔（a）、氫氣孔（b）、在不同投影平面上觀察到的缺乏熔合孔（c）由于未熔化的粉末形成孔（d）鎖孔孔隙率（e）這些數字經 Elsevier 許可轉載。

圖9:根據文獻報道的數據統計了鑄態 LPBF AlSi10Mg 的拉伸性能。強度與斷裂伸長率（a）、屈服強度與體積激光能量密度（b）、水平試樣（c）和垂直試樣（d）在不同構建平臺溫度下的屈服強度與斷裂伸長率、屈服強度與線性能量密度（e），屈服強度與估計的冷卻速率（f）。水平試樣涉及垂直于建筑物方向的加載方向，而垂直試樣涉及平行于建筑物方向的加載方向。數據（f）中的插圖顯示了三個單獨的研究（從左到右），其中可以觀察到冷卻速率對水平試樣屈服強度的影響。

圖10:LPBF AlSi10Mg變形過程中位錯演變。原位TEM壓縮試驗在含有厚薄富硅共晶網絡的雙晶粒（a）、相應的負荷曲線（b）和位錯演化過程中觀察到的紅色矩形區域（a）和不同的負荷水平（b）（c）-（e），在變形到3%（f）的拉伸試樣中的位錯模式，在變形拉伸試樣中含有相對較大的Si顆粒（g）的位錯-Si析出相相互作用。這些圖片經 Elsevier 許可轉載。