华中科技大学增材制造顶刊：激光粉床熔合AlSi10Mg合金的显微组织与力学性能相关性综述

2022-05-30 16:20:11 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

激光粉床熔合（LPBF，也称为选择性激光熔化，简称 SLM）是最常用的金属增材制造（AM）技术之一。在构建零件时，一个或多个激光束扫描并熔化先前沉积在构建平台上的粉末，遵循规定的扫描路径以实现设计的 3D 几何形状。当前的粉末层被选择性地熔化并凝固后，铺设另一层粉末，激光扫描继续进行。这样的操作将被重复，直到整个部分被构建。因此，LPBF 金属由冶金熔合层组成，具有与激光焊接工艺相同的一些特性，同时具有更高的冷却速度。

随着金属增材制造的发展，许多其他铝合金成分已被尝试用于 LPBF，已经取得了一些成功，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 和经过修饰的 Al-Si 合金。值得注意的是，考虑到AlSi10Mg 的成熟度相对较高，这篇综述文章专门针对 AlSi10Mg，在坚实的研究数据基础上寻求微观组织与力学性能之间的综合关系，并提出进一步发展的前景。

事实上，LPBF AlSi10Mg 已经研究了 10 多年，文献中记录了相当丰富的数据，可以了解其微观结构，缺陷，强度，延展性，断裂和抗疲劳性。源自激光金属增材制造的固有特性，例如高冷却速率（高达 106 K/s ）、强温度梯度（大约 106 K/m ）和复杂激光粉末熔池相互作用的相互依赖动力学，LPBF AlSi10Mg 表现出分层、跨尺度和异质的微观结构、不可忽略的孔隙率（尽管约为 0.1% ）和较明显的残余应力。所造部件的延性相对较低（一般低于10%），抗疲劳性能不理想，两者仍然涉及相当大的散点。为了解决这些问题，人们致力于开发基于热处理或热机械处理的后处理，例如直接退火、类T6热处理、热等静压（HIP）或摩擦搅拌处理（FSP）。到目前为止，可以提高延性和抗疲劳性能的同时保持初始的高强度的细化显微组织。然而，有一些可能令人满意的折衷方案，例如在搅拌摩擦加工后，延展性提高了 448%，疲劳寿命提高了两个数量级，而屈服强度仅降低了 34%。

尽管如此，研究人员仍在继续探索 LPBF AlSi10Mg，他们所付出不仅来自工业界寻求进一步工艺参数优化的巨大努力，而且来自研究微观结构和机械性能之间联系的材料力学领域的巨大努力。这两种努力的结合将允许建立从最佳工艺参数到健全的微观结构，最后到所需的机械性能或功能的路线图。特别是随着机器学习（ML）或深度学习（DL）的发展，研究人员开始寻求最佳参数，评估内部孔隙缺陷并使用 ML 方法预测力学性能，丰富的金属增材制造数据构成一个完美的数据库。此外，使用先进的原位测试技术，通过透射扫描显微镜（TEM）、同步加速器 X 射线衍射（SXRD）或中子衍射，获得了基本变形机制、相间内应力分配和变形过程中初始孔隙度的演化，以定性或定量地探究。因此，微观结构与力学性能之间的综合相关性具有重要意义，将是未来研究的重点。

华中科技大学李振环教授团队这篇综述将主要集中在材料铸态，研究的力学性能主要是机械加工或抛光的样品，旨在专门了解核心微观结构和内部缺陷在确定机械性能中的作用，同时消除构建表面粗糙度和加工缺陷的影响（特别是疲劳性能评定）。本综述将集中于已构建的LPBF AlSi10Mg，系统地解决微观组织、缺陷、强度、延性（强化和损伤机制）、断裂韧性、疲劳抗力及其相关性，据作者称，这些在其他文献中尚未完全建立。综述第2节简要概述LPBF AlSi10Mg的微观结构，讨论一些影响微观结构的因素。第3节简述了孔隙率的形成条件与获得所需孔隙率的操作。随后，对于材料的强度与延展性（第4节）、抗断裂性（第5节）、抗疲劳性（第6节）等特征进行综述，并通过塑性行为的建模和仿真来理解LPBF AlSi10Mg的力学响应。在第8节指明了研究的遗留问题和进一步工作的展望。第9节为综述的总结部分。相关研究成果以题“Review on the Correlation Between Microstructure and Mechanical Performance for Laser Powder Bed Fusion AlSi10Mg”发表在增材顶刊Additive Manufacturing上。

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

（1）随着先进表征技术的应用，LPBF AlSi10Mg 的微观结构特征得到了全面的描述。此外，已经建立了工艺策略和微观结构特征之间的基本定性相关性。

（2）由于复杂激光粉末熔池相互作用的相互依赖动力学，无法完全消除初始孔隙。然而，通过参数优化，孔隙率已经可以降低到一个较低的水平。即使使用机械制造商推荐的参数，也可以实现非常高密度的成品零件。

（3）屈服强度、应变硬化、损伤和断裂抗力与显微组织形态和细度的关系已被阐明。各向异性强度主要由富硅细长胞状网络诱导，而各向异性断裂韧性主要来自熔池排列。低的初始孔隙率似乎对强度和延性的影响非常有限。

（4）疲劳失效通常分别从低到高周疲劳和极高周疲劳状态下的表面缺陷和内部缺陷（即孔隙或氧化物）开始。与孔隙率相似但机械强度较低的后处理材料相比，铸态材料具有更高的抗疲劳性。由于缺乏融合缺陷的不利取向，垂直样品通常呈现较低的疲劳强度。

（5）已经提出了一种解决塑性变形的多尺度建模方案。这种建模策略对于描述 LPBF AlSi10Mg 的跨尺度、分层和异质微观结构的力学行为是适当和必要的。

图1：铸态（a）和建成 LPBF （b） AlSi10Mg 的典型显微组织。请注意，比例尺在（a）和（b）中具有相同的物理长度。

图2:LPBF AlSi10Mg 微观结构的跨尺度方面，从埃大小的溶质原子、纳米颗粒和亚微米厚的胞状网络，到微米大小的晶粒和熔池。

图3:制备的LPBF AlSi10Mg富Si共晶的FIB/SEM层析。构建平台温度为35°C （a）和200°C （b）的熔池核心区的3D绘制（3.5 × 3.4 × 2.5 μm），以及从35°C材料重建体（C）中出来的两个长管状胞状结构的可视化。图经Elsevier许可转载。

图4:LPBF AlSi10Mg 微观结构的分级特征示意图。

图5:搭建平台温度对LPBF AlSi10Mg组织的影响。35℃时熔池边界（a）、富硅网络（c）和纳米颗粒（e）， 200℃时熔池边界（b）、富硅网络（d）和纳米颗粒（f）。图经Elsevier许可转载。

图6:印后热处理对LPBF AlSi10Mg组织的影响。

图7:显示不同时刻粉末运动的动态 X 射线图像（a）-（c），显示金属蒸气气体在不同时刻运动的纹影高速图像（d），模拟熔池动力学由于飞溅物的激光喷射（e）和飞溅物与熔池之间的正面碰撞（f），超高速 X 射线成像揭示了高能量密度下的小孔凹陷和不稳定性（g）-（j） . 这些数字经 Elsevier、Springer Nature 和 AAAS 许可转载

图8:LPBF AlSi10Mg 中存在的典型孔隙率。球形和不规则形状的孔（a）、氢气孔（b）、在不同投影平面上观察到的缺乏熔合孔（c）由于未熔化的粉末形成孔（d）锁孔孔隙率（e）这些数字经 Elsevier 许可转载。

图9:根据文献报道的数据统计了铸态 LPBF AlSi10Mg 的拉伸性能。强度与断裂伸长率（a）、屈服强度与体积激光能量密度（b）、水平试样（c）和垂直试样（d）在不同构建平台温度下的屈服强度与断裂伸长率、屈服强度与线性能量密度（e），屈服强度与估计的冷却速率（f）。水平试样涉及垂直于建筑物方向的加载方向，而垂直试样涉及平行于建筑物方向的加载方向。数据（f）中的插图显示了三个单独的研究（从左到右），其中可以观察到冷却速率对水平试样屈服强度的影响。

图10:LPBF AlSi10Mg变形过程中位错演变。原位TEM压缩试验在含有厚薄富硅共晶网络的双晶粒（a）、相应的负荷曲线（b）和位错演化过程中观察到的红色矩形区域（a）和不同的负荷水平（b）（c）-（e），在变形到3%（f）的拉伸试样中的位错模式，在变形拉伸试样中含有相对较大的Si颗粒（g）的位错-Si析出相相互作用。这些图片经 Elsevier 许可转载。