華科大學(xué)增材頂刊綜述：激光粉床熔合AlSi10Mg合金的顯微組織與力學(xué)性能相關(guān)性

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：在本綜述中，對鑄態(tài) LPBF AlSi10Mg 的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為的知識進行了全面介紹和討論。在總結(jié)近期在微觀結(jié)構(gòu)表征、強化和損傷機制評估、斷裂和疲勞抗力評估方面取得的進展，并試圖在鑄態(tài)下建立力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的初步綜合聯(lián)系。在分析了目前的研究現(xiàn)狀之后，本文最后將對量化微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系所需的額外工作進行展望，在此基礎(chǔ)上，可以通過優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)來最大化力學(xué)性能的潛力。

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(shù)之一。在構(gòu)建零件時，一個或多個激光束掃描并熔化先前沉積在構(gòu)建平臺上的粉末，遵循規(guī)定的掃描路徑以實現(xiàn)設(shè)計的 3D 幾何形狀。當(dāng)前的粉末層被選擇性地熔化并凝固后，鋪設(shè)另一層粉末，激光掃描繼續(xù)進行。這樣的操作將被重復(fù)，直到整個部分被構(gòu)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(fā)展，許多其他鋁合金成分已被嘗試用于 LPBF，已經(jīng)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(jīng)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)上尋求微觀組織與力學(xué)性能之間的綜合關(guān)系，并提出進一步發(fā)展的前景。

事實上，LPBF AlSi10Mg 已經(jīng)研究了 10 多年，文獻中記錄了相當(dāng)豐富的數(shù)據(jù)，可以了解其微觀結(jié)構(gòu), 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(fù)雜激光粉末熔池相互作用的相互依賴動力學(xué)，LPBF AlSi10Mg 表現(xiàn)出分層、跨尺度和異質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、不可忽略的孔隙率（盡管約為 0.1% ）和較明顯的殘余應(yīng)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(dāng)大的散點。為了解決這些問題，人們致力于開發(fā)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(shù)量級，而屈服強度僅降低了 34%。

盡管如此，研究人員仍在繼續(xù)探索 LPBF AlSi10Mg，他們所付出不僅來自工業(yè)界尋求進一步工藝參數(shù)優(yōu)化的巨大努力，而且來自研究微觀結(jié)構(gòu)和機械性能之間聯(lián)系的材料力學(xué)領(lǐng)域的巨大努力。這兩種努力的結(jié)合將允許建立從最佳工藝參數(shù)到健全的微觀結(jié)構(gòu)，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(xué)習(xí) (ML) 或深度學(xué)習(xí) (DL) 的發(fā)展，研究人員開始尋求最佳參數(shù)，評估內(nèi)部孔隙缺陷并使用 ML 方法預(yù)測力學(xué)性能，豐富的金屬增材制造數(shù)據(jù)構(gòu)成一個完美的數(shù)據(jù)庫。此外，使用先進的原位測試技術(shù)，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(nèi)應(yīng)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(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的綜合相關(guān)性具有重要意義，將是未來研究的重點。

華中科技大學(xué)李振環(huán)教授團隊這篇綜述將主要集中在材料鑄態(tài)，研究的力學(xué)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(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷在確定機械性能中的作用，同時消除構(gòu)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(gòu)建的LPBF AlSi10Mg，系統(tǒng)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(guān)性，據(jù)作者稱，這些在其他文獻中尚未完全建立。綜述第2節(jié)簡要概述LPBF AlSi10Mg的微觀結(jié)構(gòu)，討論一些影響微觀結(jié)構(gòu)的因素。第3節(jié)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(jié)）、抗斷裂性（第5節(jié)）、抗疲勞性（第6節(jié)）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(xué)響應(yīng)。在第8節(jié)指明了研究的遺留問題和進一步工作的展望。第9節(jié)為綜述的總結(jié)部分。相關(guān)研究成果以題“Review on the Correlation Between Microstructure and Mechanical Performance for Laser Powder Bed Fusion AlSi10Mg”發(fā)表在增材頂刊Additive Manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860422003116

（1）隨著先進表征技術(shù)的應(yīng)用，LPBF AlSi10Mg 的微觀結(jié)構(gòu)特征得到了全面的描述。此外，已經(jīng)建立了工藝策略和微觀結(jié)構(gòu)特征之間的基本定性相關(guān)性。
（2）由于復(fù)雜激光粉末熔池相互作用的相互依賴動力學(xué)，無法完全消除初始孔隙。然而，通過參數(shù)優(yōu)化，孔隙率已經(jīng)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(shù)，也可以實現(xiàn)非常高密度的成品零件。
（3）屈服強度、應(yīng)變硬化、損傷和斷裂抗力與顯微組織形態(tài)和細度的關(guān)系已被闡明。各向異性強度主要由富硅細長胞狀網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)，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(tài)下的表面缺陷和內(nèi)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(tài)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(xiàn)較低的疲勞強度。
（5）已經(jīng)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(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為是適當(dāng)和必要的。

圖1：鑄態(tài) (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(jié)構(gòu)的跨尺度方面，從埃大小的溶質(zhì)原子、納米顆粒和亞微米厚的胞狀網(wǎng)絡(luò)，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(gòu)建平臺溫度為35°C (a)和200°C (b)的熔池核心區(qū)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(jié)構(gòu)的可視化。圖經(jīng)Elsevier許可轉(zhuǎn)載。

圖4:LPBF AlSi10Mg 微觀結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)(c)和納米顆粒(e)， 200℃時熔池邊界(b)、富硅網(wǎng)絡(luò)(d)和納米顆粒(f)。圖經(jīng)Elsevier許可轉(zhuǎn)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(tài) 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(xué)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(wěn)定性(g)-(j) . 這些數(shù)字經(jīng) Elsevier、Springer Nature 和 AAAS 許可轉(zhuǎn)載

圖8:LPBF AlSi10Mg 中存在的典型孔隙率。球形和不規(guī)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(shù)字經(jīng) Elsevier 許可轉(zhuǎn)載。

圖9:根據(jù)文獻報道的數(shù)據(jù)統(tǒng)計了鑄態(tài) 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(gòu)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(shù)據(jù)(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(wǎng)絡(luò)的雙晶粒(a)、相應(yīng)的負(fù)荷曲線(b)和位錯演化過程中觀察到的紅色矩形區(qū)域(a)和不同的負(fù)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(jīng) Elsevier 許可轉(zhuǎn)載。

圖11:制備的LPBF AlSi10Mg的斷裂韌性與工藝參數(shù)和掃描策略有關(guān)。含誘導(dǎo)的疲勞預(yù)裂紋的緊湊拉伸試樣(a)和(b)試驗，無誘導(dǎo)的疲勞預(yù)裂紋的單邊缺口試樣(c)和(d)試驗。在（b）中LT表示層厚、HS表示開口間距、SS表示掃描策略。圖經(jīng) Elsevier 許可轉(zhuǎn)載。

圖12:熔池層次化建模與仿真RVE。逐步填充法生成的LPBF多晶體模型(a)，不同負(fù)載方向的晶體塑性有限元模擬(b)-(d)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)Elsevier許可轉(zhuǎn)載。

圖13:基于微觀結(jié)構(gòu)的 LPBF AlSi10Mg 多尺度晶體塑性建模方案。這些數(shù)據(jù)經(jīng) Elsevier 許可復(fù)制。

另一方面，為充分建立工藝-顯微組織-性能關(guān)系，發(fā)掘LPBFAl合金的巨大潛力，未來仍需進一步研究以下方面：

（1）精確的制造策略-微觀結(jié)構(gòu)映射：以前的工作主要集中在工藝策略對鋁單元（cell）和熔池等的影響；很少關(guān)注固溶體和納米尺寸的顆粒。請注意，Al基體強度會改變相之間的負(fù)載分配，因此會影響強度和損傷行為。
（2）統(tǒng)一的微觀結(jié)構(gòu)描述:統(tǒng)一的微觀結(jié)構(gòu)描述符可以量化微觀結(jié)構(gòu)特征。它們可用于理論模型或數(shù)值模型的強度預(yù)測。如何用一個或幾個參數(shù)來描述整個熔池的微觀結(jié)構(gòu)仍然是一個挑戰(zhàn)。
（3）異質(zhì)區(qū)之間的負(fù)載分配：以前的實驗工作試圖解決富硅共晶和鋁單元（cell）之間的負(fù)載分配。然而，應(yīng)力場在不同區(qū)域（即 FMP、CMP 和 HAZ）中的分布情況仍然未知。
（4）異質(zhì)區(qū)域之間的損傷演化和競爭：損傷演化高度依賴于微觀結(jié)構(gòu)。以前的工作主要闡明了 FMP 或 CMP 中的損傷演變。然而，不同地區(qū)損傷演化和應(yīng)力再分布的協(xié)同發(fā)展仍是有待研究的課題。
（5）多尺度建模和仿真：通過建模和仿真進行的研究正在興起。多尺度策略被認(rèn)為是評估復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)（如 LPBF AlSi10Mg）的強度、硬化和損傷行為的適當(dāng)方法。需要更多的努力來改進塑性變形的建模并啟動損傷演化的建模。

值得指出的是，鑒于 AM 誘導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)具有共同的固有的跨尺度、分層和異質(zhì)特征，上述問題不僅與 LPBF AlSi10Mg 有關(guān)，還與其他增材制造金屬有關(guān)。 從這個意義上說，所獲得的知識和建模方案有望直接轉(zhuǎn)移到已開發(fā)或新興的增材制造金屬，特別是對于增材制造鋁合金。