增材制造性能高強(qiáng)鋁合金在航空航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前途。通過(guò)稀土元素Sc/Zr改性的Al-Mg基合金展示出了良好的適打印性以及強(qiáng)度-塑性協(xié)同能力，在L-PBF快速熔凝過(guò)程中極易產(chǎn)生粗晶區(qū)-細(xì)晶區(qū)呈空間有序排布的雙峰結(jié)構(gòu)。

日前，華東理工大學(xué)增材制造研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種結(jié)合激光粉床熔融（LPBF）增材制造熔池溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算邊界條件的高保真元胞自動(dòng)機(jī)（CA）算法，用于精確模擬Al-Mg-Sc-Zr鋁合金在L-PBF過(guò)程中晶粒雙峰結(jié)構(gòu)的形成和演化，進(jìn)而通過(guò)晶體塑性有限元（CPFEM）方法揭示了材料在拉伸變形過(guò)程中強(qiáng)度與塑性的協(xié)同效應(yīng)；試驗(yàn)研究還表明，該雙峰結(jié)構(gòu)具有良好的抗疲勞性能，并分析了在低應(yīng)力循環(huán)載荷下表現(xiàn)出的各向異性。

文章以“Microstructural evolution modelling and low-stress fatigue performance of bimodal-structured Al-Mg-Sc-Zr alloy produced by laser powder bed fusion additive manufacturing”為題發(fā)表在《Virtual and Physical Prototyping》上（DOI：10.1080/17452759.2024.2346287）。論文第一作者為博士一年級(jí)研究生黃國(guó)慶，李博副教授為通訊作者，華東理工大學(xué)為唯一通訊單位。

針對(duì)L-PBF增材制造Al-Mg-Sc-Zr鋁合金呈現(xiàn)獨(dú)特的雙峰結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們?cè)诔浞挚紤]制造工藝要素、材料要素以及雙峰結(jié)構(gòu)的形成與演變機(jī)理等耦合條件下，致力于通過(guò)建模仿真，可視化揭示L-PBF過(guò)程和塑性變形過(guò)程中的雙峰結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，可為科學(xué)闡明這類微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)理提供支撐。其中，激光熔池溫度場(chǎng)的空間分布特征是雙峰結(jié)構(gòu)形成的主要驅(qū)動(dòng)因素，熔池邊界快速過(guò)冷和大量Al₃(Sc/Zr)顆粒的析出可為晶粒提供充足的形核質(zhì)點(diǎn)，在熔池溫度梯度和冷卻速度的誘導(dǎo)下，晶粒按最優(yōu)取向生長(zhǎng)，而熔池固/液界面位置的晶粒則注意通過(guò)外延生長(zhǎng)模式在溫度梯度的方向上優(yōu)先呈現(xiàn)柱狀晶形態(tài)。我們通過(guò)結(jié)合溫度場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力的高保真元胞自動(dòng)機(jī)（CA）算法精確的再現(xiàn)了這一結(jié)構(gòu)演變過(guò)程。針對(duì)雙峰結(jié)構(gòu)在整體材料塑性變形演變開展的數(shù)值計(jì)算，幫助我們進(jìn)一步探索了雙峰結(jié)構(gòu)在拉伸準(zhǔn)靜態(tài)加載和疲勞循環(huán)載荷作用下的整體力學(xué)性能及微觀組織演變特征。

通過(guò)對(duì)比鑄造、打印態(tài)和打印后時(shí)效態(tài)樣品的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試，認(rèn)為時(shí)效態(tài)優(yōu)異的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)歸因于快速凝固過(guò)程中Al-Mg-Sc-Zr鋁合金的晶粒細(xì)化效應(yīng)，以及時(shí)效過(guò)程中大量Al₃(Sc/Zr)二次相顆粒的析出強(qiáng)化作用；運(yùn)用晶體塑性有限元（CPFEM）算法仿真和計(jì)算了這種雙峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)變非均勻性及整體結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能上體現(xiàn)的各向異性，揭示了細(xì)晶區(qū)FG和粗晶區(qū)CG的空間有序分布對(duì)于整體強(qiáng)度-塑性協(xié)同效應(yīng)具有顯著的影響；進(jìn)一步地，通過(guò)循環(huán)載荷試驗(yàn)展示了其在低應(yīng)力疲勞載荷下的整體性能，而在低應(yīng)力作用下的疲勞壽命展現(xiàn)出的各向異性卻與準(zhǔn)靜態(tài)拉伸行為截然相反；此外，該工作也關(guān)注并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了L-PBF激光掃描策略所導(dǎo)致的細(xì)晶區(qū)、粗晶區(qū)空間分布差異性，這種雙峰結(jié)構(gòu)的分布策略可通過(guò)工藝手段實(shí)現(xiàn)人工調(diào)控，細(xì)晶區(qū)、粗晶區(qū)在空間分布上的交錯(cuò)性和排布形式對(duì)材料整體的阻裂能力和疲勞壽命具有顯著影響。

圖1  元胞自動(dòng)機(jī)模型示意圖

圖2  單激光熔池晶粒生長(zhǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果。（a）晶粒生長(zhǎng)過(guò)程的三維顯示；Z-Y平面（b）、X-Z平面（c）和Y-X平面（d）的截面圖。

圖3  激光熔池凝固過(guò)程數(shù)值模擬過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)演變過(guò)程的顯示圖：（a）激光熔池Y-Z截面的微觀結(jié)構(gòu)演變圖，分為六張圖，展示了從晶粒形核到完全凝固的過(guò)程；（b）激光熔池X-Z截面的微觀結(jié)構(gòu)演變圖，也分為六張圖，顯示了從晶粒形核到完全凝固的過(guò)程。

圖4  （a）通過(guò)掃描策略1制備的LPBF樣品，平行于BD方向的橫截面在腐蝕后呈現(xiàn)規(guī)則的魚鱗形貌；（b）EBSD-IPF地圖的魚鱗區(qū)域，反映了顆粒形態(tài)；（c）基于掃描間距和粉末層厚度的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)多道次和多層熔池凝固后的微觀結(jié)構(gòu)形貌圖進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。

圖5  EBSD揭示了老化樣品的微觀結(jié)構(gòu)：（a）反極圖（IPF_X）的偽三維視圖；（b）三維視圖中每個(gè)表面的粒度分布圖；垂直于SD（c）、BD（d）和TD（e）方向的平面上的EBSD結(jié)果（IPF_X和PF圖）；（f）圖（e）中方框區(qū)域的放大圖。

圖6  竣工和老化樣品的TEM分析：（a）FG區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的TEM概覽圖像；（b）（a）中黃色區(qū)域的進(jìn)一步放大圖像，反映FG區(qū)域中晶粒的形態(tài)和尺寸，箭頭突出顯示GB；（c）（b）中藍(lán)色區(qū)域的元素組成的能譜；（d）反映了FG區(qū)中Al3（Sc/Zr）沉淀物的分布；（e）（d）中黃色區(qū)域的放大圖，顯示沉淀物的形狀和尺寸；（f） Al3（Sc/Zr）顆粒通過(guò)快速傅立葉變換（FFT）和（e）的逆傅立葉變換顯示出相干性。時(shí)效樣品中Al3（Sc/Zr）沉淀的分布圖（h和j）和放大圖（i和k）。

圖7  （a）不同工藝和施工方向的樣品拉伸性能的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）不同工藝和施工方向樣品拉伸性能的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖8  使用CPFEM對(duì)雙峰結(jié)構(gòu)RVE模型進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果：（a）RVE模型沿X或Y方向單軸拉伸的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的數(shù)值計(jì)算成果；（b）當(dāng)沿著X方向拉伸到（a）中的標(biāo)簽位置時(shí)，對(duì)應(yīng)模型的Mises應(yīng)力分布云圖；（c）當(dāng)沿著Y方向拉伸到（a）中的標(biāo)簽位置時(shí)，對(duì)應(yīng)模型的Mises應(yīng)力分布云圖。

圖9  Al-Mg-Sc-Zr合金拉伸前微觀結(jié)構(gòu)的EBSD表征結(jié)果（IPF_X、PF和KAM圖）：As aged-V（a，d）；As aged-H（b，e）；As cast（c，f）。以及Al-Mg-Sc-Zr合金拉伸后微觀結(jié)構(gòu)的EBSD表征結(jié)果（IPF_X、PF和KAM圖）：As aged-V（g，j）；As aged-H（H，k）；As cast（i，l）。

圖10  基于圖8b中拉伸模型沿X方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)2%至10%的整體應(yīng)變變化繪制了沿X方向上的平均應(yīng)變分布。

圖11  （a）在R=0.1時(shí)，具有不同L-PBF構(gòu)建方向的樣品的疲勞試驗(yàn)的S-N數(shù)據(jù)；（b）在R=0.1和120MPa應(yīng)力振幅下，采用不同掃描策略對(duì)As時(shí)效-V樣品進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的S-N數(shù)據(jù)。

在本研究中，我們采用LPBF技術(shù)和隨后的HT工藝制備了具有由Al基體的FG區(qū)和CG區(qū)組成的雙峰非均勻結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度Al-Mg-Sc-Zr合金。我們使用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了制備工藝對(duì)Al-Mg-Sc-Zr合金微觀組織演變和性能的影響。可以得出以下結(jié)論：

（1）LPBF Al-Mg-Sc-Zr合金中雙峰非均勻結(jié)構(gòu)的形成歸因于其連續(xù)的工藝特征。我們的溫度場(chǎng)耦合CA模型有效地模擬了熔化和凝固過(guò)程中的異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶粒生長(zhǎng)過(guò)程，從而深入了解了FG和CG區(qū)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)演化機(jī)制。具有主導(dǎo)取向的CG區(qū)晶粒在熔池中沿溫度梯度方向生長(zhǎng)。通過(guò)與EBSD顆粒IPF圖的比較，證實(shí)了我們的CA模型的有效性。

（2）拉伸試驗(yàn)證實(shí)，與鑄態(tài)樣品相比，經(jīng)LPBF工藝和時(shí)效處理的時(shí)效樣品的強(qiáng)度和塑性有很大提高。我們使用CPFEM方法來(lái)計(jì)算和分析雙峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非均勻微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系。研究揭示了L-PBF過(guò)程形成的雙峰結(jié)構(gòu)的固有聯(lián)系中的各向異性。時(shí)效樣品的雙峰結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷作用下具有優(yōu)異的抗疲勞性能。

（3）我們發(fā)現(xiàn)，具有較低伸長(zhǎng)率的V方向樣品的抗疲勞性甚至更好。這與雙峰結(jié)構(gòu)的各向異性密切相關(guān)。此外，不同掃描策略帶來(lái)的不同分布模式的雙峰結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能也有很大差異，值得進(jìn)一步深入研究。

課題組介紹

華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院增材制造與智能裝備研究所由軒福貞校長(zhǎng)于2018年推動(dòng)建立，團(tuán)隊(duì)依托上海市高端裝備可靠性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等省部級(jí)科研平臺(tái)，持續(xù)在3D打印智能裝備創(chuàng)成、高性能金屬結(jié)構(gòu)增材制造及應(yīng)用、復(fù)雜功能構(gòu)型智能設(shè)計(jì)與3D打印等方面取得一系列科研成果，與中國(guó)航天科工集團(tuán)四院、中國(guó)航天科技集團(tuán)八院、中國(guó)航發(fā)商發(fā)公司、中國(guó)聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)有限公司等領(lǐng)域重要企業(yè)院所持續(xù)開展增材制造領(lǐng)域合作和科技成果轉(zhuǎn)化，支持重點(diǎn)型號(hào)裝備關(guān)鍵件制造與可靠服役。

黃國(guó)慶；本文第一作者

華東理工大學(xué)2323級(jí)博士研究生

主要從事增材制造金屬材料及可靠性研究，研究成果在Journal of Materials Science & Technology、Virtual and Physical Prototyping、International Journal of Fatigue等期刊上發(fā)表。

李博；本文通訊作者

華東理工大學(xué) 副教授

李博，博士畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，智能制造工程系主任、上海市高端裝備可靠性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心常務(wù)副主任、上海市機(jī)械工程學(xué)會(huì)工業(yè)智能制造專委會(huì)副主任委員。近年來(lái)，先后主持國(guó)家/國(guó)防省部級(jí)科研課題13項(xiàng)、企業(yè)合作課題16項(xiàng)。在先進(jìn)制造等領(lǐng)域國(guó)際知名期刊以第一及通訊作者發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文53篇。授權(quán)發(fā)明專利6件、實(shí)用新型專利23件、軟件著作權(quán)6件。入選上海市東方英才、江蘇省雙創(chuàng)人才、上海市青年科技啟明星計(jì)劃等。