《NPG Asia Materials》封面文章：3D打印高強高塑形銀合金

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：金屬增材制造的制品往往呈現(xiàn)出較好的機械性能。然而，這些制品常常會由于存在缺陷（如氣孔和未熔顆粒）而在服役時發(fā)生前期失效，從而成為裂紋發(fā)生的萌生源。裂紋會沿著晶界或晶間含有連續(xù)脆性二次相的地方而擴展。

華南理工大學的最新研究報道了選區(qū)激光熔化制品的早期失效機理。SLM制造Ag-Cu-Ge合金的次級顯微組織表明半共格析出相呈不連續(xù)分布，但沿著胞狀晶邊界周期排列。打印的Ag-Cu-Ge合金的強度可以達到410±3MPa，延伸率可以達到16±0.5%。這一數(shù)值遠遠超過同等成分的鑄造合金和退火狀態(tài)的合金。SLM周期性結(jié)構(gòu)并呈等級分布的析出相和高密度的內(nèi)部缺陷會導致較高的應變硬化速率和較強的硬化強度，這可以從析出相的孿生和在內(nèi)部缺陷的富集來證明。這些缺陷主要有位錯、堆垛層錯和孿生。然而，樣品在縮頸之前的斷裂是由于在缺陷處使斷裂得到加速。該項工作為增材制造超高強度和超高塑性材料并且可以預防早期失效提供了一個可能的途徑。該工作由華南理工發(fā)表在頂刊《NPG Asia Materials》上并作為封面文章來發(fā)表。

《NPG Asia Materials》 的封面

圖1 SLM Ag-Cu-Ge合金時的典型組織

a，b：SEM觀察到的粗大等軸晶和柱狀晶；c 典型的柱狀晶且不連續(xù)的富Cu析出相的示意圖；d TEM電鏡觀察到的不連續(xù)的富Cu析出相且周期性排列；e TEM觀察到的沿胞晶和晶界分布的位錯；f TEM照片和相應地不連續(xù)富Cu析出相的EDS圖
增材制造技術(shù)，尤其是SLM技術(shù)在近年來引起了人們的廣泛關(guān)注并取得了巨大的發(fā)展。其打印出來的產(chǎn)品往往具有較高的強度。然而，增材制造的產(chǎn)品往往是各向異性的、顯微組織在不同區(qū)域也不一致、形貌在不同尺度下也存在差別。舉例來說，SLM的典型特征，如熔道在宏觀和微觀角度下觀察會有差別，其組成相以及分布在微觀角度和納米尺度也存在差別。顯微組織在長度方向上基本是典型的各向異性，尤其是在樣品存在加熱的條件下沿長度方向的變化就更加明顯。這一顯微組織在長度方向上的各向異性導致SLM制品的機械性能難以預測。此外，SLM樣品還存在由于快速冷卻和快速加熱而形成非平衡相。盡管SLM制品的強度會比同等材料要高，但經(jīng)常會在沒有達到相應強度之前就發(fā)生失效，即早期失效。這現(xiàn)象在制造Al-12Si和AlMgSi時尤其明顯，其工作硬化曲線并不同應力-應變曲線相一致，表明該材料在縮頸前即發(fā)生失效。內(nèi)部缺陷的高密度和引入的新的缺陷對材料未達到預期的強度即發(fā)生失效起到非常重要的作用，此時的SLM盡管有較大的拉伸與斷裂強度，也會如此。這一行為稱之為早期失效，而且大多數(shù)SLM材料均有在縮頸前失效的現(xiàn)象，即使是理論上有較大強度的材料也可能如此。前期失效產(chǎn)生的原因是由于存在氣孔、未熔顆粒等缺陷作為裂紋的萌生源，然后裂紋沿晶界或胞界擴展。SLM制造的材料呈現(xiàn)典型的獨特的非穩(wěn)胞狀組織，如SLM Al-12Si、AlSi10Mg、CoCrMo和316L。胞晶邊界被稱之為層層的連接紐帶，從而會加速裂紋的擴展。為了充分發(fā)揮SLM技術(shù)在高強度方面的優(yōu)勢、非常有必要研究早期失效的原因并獲得降低早期失效的措施，對充分發(fā)揮SLM的優(yōu)勢并讓SLM迅速成為未來有競爭力的制造工藝非常關(guān)鍵。

圖2 SLM Ag-Cu-Ge的機械行為

在這里，我們報道了增材制造時早期失效的機制。選用Ag-Cu-Ge進行實驗。這是因為Ag-Cu合金由于Cur含量較少而不會形成復雜的金屬間化合物相，而且Cu-Ge則大概率會形成Cu3Ge和/或Cu5Ge相，從而在Ag基體中析出。因此，復雜的金屬間化合物相的析出以及他們所帶來的危害就可以避免。研究了早期失效的內(nèi)在機制并設計了一個路線圖來避免SLM中的制品發(fā)生早期失效。Ag-7.3wtCu中添加1±0.2wt%的Ge能促進Cu/Ge在初生Ag中的共分離。共晶α+β 相的生成會導致宏觀次級結(jié)構(gòu)的形成，這同Cu-10Sn合金SLM時得到的相和形貌類似。從熔池中形成的共晶結(jié)構(gòu)主要是初生的富集Ag-α 相和二次富Cu相（Cu3Ge和Cu5Ge）在基體中周期的排列。細小組織的生成是由于SLM工藝過冷造成的。

圖3 拉伸變形后TEM觀察到的SLM Ag-Cu-Ge合金

圖4 SLM Ag-Cu-Ge合金斷裂時纖維組織的等級分布

文獻來源：
Wang, Z., Xie, M., Li, Y. et al. Premature failure of an additively manufactured material. NPG Asia Mater 12, 30 (2020). https://doi.org/10.1038/s41427-020-0212-0