LPBF AlSi10Mg的損傷部位和斷裂路徑:對(duì)比水平和垂直方向

供稿人:周航 魯中良
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

激光粉末床熔化(LPBF) AlSi10Mg的研究已經(jīng)持續(xù)了十多年，研究人員對(duì)其特征組織、缺陷、機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能有了深入的認(rèn)識(shí)。由于定向凝固下的外延生長，(100)織構(gòu)在LPBF鋁合金中普遍沿成形方向存在。此外，LPBF AlSi10Mg的微觀組織在熔池的不同區(qū)域呈現(xiàn)出不同的變化。根據(jù)富硅共晶相的形態(tài)和大小，熔池通常分為細(xì)熔池(FMP)區(qū)、粗熔池(CMP)區(qū)和熱影響區(qū)(HAZ)。一般認(rèn)為CMP和HAZ形成熔池邊界，與FMP區(qū)相比，其所占熔池體積要小得多。LPBF AlSi10Mg具有各向異性的力學(xué)性能，主要是由熔池取向引起的，而沿成型方向的織構(gòu)影響不大。一般來說，材料在沿成型方向加載(即垂直加載)時(shí)出現(xiàn)較低的破壞延伸率，由于其強(qiáng)度較低，熔池邊界預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變局部化。垂直試件的抗拉強(qiáng)度與水平試件的抗拉強(qiáng)度基本相當(dāng)，甚至更高。垂直試樣的低斷裂伸長率被廣泛認(rèn)為是應(yīng)變局部化和裂紋通過CMP或HAZ擴(kuò)展的結(jié)果。此外，初始孔隙的形態(tài)也可能是垂直試樣較低斷裂應(yīng)變的部分原因。

圖1 熔池邊界的細(xì)熔池、粗熔池和熱影響區(qū)(a)，細(xì)熔池在xz(b)和xy(c)平面的富硅共晶網(wǎng)絡(luò)二維形貌；富硅共晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(d)及其在不同切割平面上的二維表示(e) (f)

對(duì)熔池進(jìn)行放大，在二維SEM顯微圖中觀察到由α-Al和富硅共晶相組成的細(xì)小組織。圖1a為跨熔池邊界的結(jié)構(gòu)，富硅共晶相在CMP和FMP中表現(xiàn)為一個(gè)相互連接的網(wǎng)絡(luò)，在HAZ中似乎被破壞。封閉的鋁胞內(nèi)含有極其細(xì)小的富硅顆粒，直徑約為10 nm(圖1b和c)。CMP和HAZ構(gòu)成了熔池邊界，厚度約為7 μm。在不同的截面上觀察到FMP，它占據(jù)了材料的大部分體積，是最具代表性的微觀結(jié)構(gòu)。在平行于成形方向的平面上，富硅相沿外延晶粒長大呈拉長狀(圖1b)，而在垂直于成形方向的平面上，則呈等軸形態(tài)(圖1c)。

圖2 熔池邊界富硅共晶結(jié)構(gòu)的三維可視化

通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)中富硅共晶網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了明顯的斷裂。因此，采用FIB/SEM層析成像技術(shù)，使用5 nm的體素尺寸，提供了微結(jié)構(gòu)的三維可視化。在比較大的體積下，可以觀察到CMP和FMP的相互連接很好，如圖2a-b所示。但是，當(dāng)處理體積較小時(shí)，CMP和FMP的網(wǎng)絡(luò)分離，如圖2c-d所示。與二維觀測相比，在這樣的3D體塊中考慮互連時(shí)，HAZ中的富Si相并沒有支離破碎到作為單獨(dú)的物體單獨(dú)挑選出來。CMP和FMP區(qū)域在大尺度上呈現(xiàn)出一種聯(lián)系，但在小尺度上就會(huì)破裂；熱影響區(qū)不能從3D微觀結(jié)構(gòu)中很好地定義，它似乎是FMP的一部分。綜上所述，富硅相呈現(xiàn)出比二維掃描電鏡所觀察到的更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。由于富硅相的分支形態(tài)，熱影響區(qū)無法在二維視圖中準(zhǔn)確表征。富硅相在FMP中連通度最高，尺寸最小；在HAZ中連通度最低，尺寸最大。

圖3 水平(a) (b)和垂直(c) (d)缺口試樣的FMP損傷特征水平(a) (b)和垂直(c) (d)缺口試樣的FMP損傷特征。

斷裂路徑的研究表明，F(xiàn)MP在外部載荷作用下，無論熔池的方向如何，都容易發(fā)生損傷。當(dāng)熔體池邊界垂直于拉伸載荷時(shí)，CMP是一個(gè)有利的斷裂路徑。相應(yīng)的，CMP裂紋尾跡區(qū)孔洞尺寸較大，F(xiàn)MP、CMP和HAZ的損傷密度相似。這可能是由于CMP的微觀結(jié)構(gòu)較粗，并且由于其強(qiáng)度較低，裂紋更容易生長。

參考文獻(xiàn)：
Zhao, L., et al., Unveiling damage sites and fracture path in laser powder bed fusion AlSi10Mg: Comparison between horizontal and vertical loading directions. Materials Science and Engineering: A, 2021. 807.