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(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：在本綜述中，對(duì)鑄態(tài) LPBF AlSi10Mg 的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為的知識(shí)進(jìn)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(qiáng)化和損傷機(jī)制評(píng)估、斷裂和疲勞抗力評(píng)估方面取得的進(jìn)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(duì)量化微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系所需的額外工作進(jìn)行展望，在此基礎(chǔ)上，可以通過(guò)優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)來(lái)最大化力學(xué)性能的潛力。

激光粉床熔合（LPBF，也稱(chēng)為選擇性激光熔化，簡(jiǎn)稱(chēng) 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(shí)，一個(gè)或多個(gè)激光束掃描并熔化先前沉積在構(gòu)建平臺(tái)上的粉末，遵循規(guī)定的掃描路徑以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jìn)行。這樣的操作將被重復(fù)，直到整個(gè)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(shí)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(guò)修飾的 Al-Si 合金。值得注意的是，考慮到AlSi10Mg 的成熟度相對(duì)較高，這篇綜述文章專(zhuān)門(mén)針對(duì) AlSi10Mg，在堅(jiān)實(shí)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(jìn)一步發(fā)展的前景。

事實(shí)上，LPBF AlSi10Mg 已經(jīng)研究了 10 多年，文獻(xiàn)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(qiáng)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(dá) 106 K/s ）、強(qiáng)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(lài)動(dòng)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(duì)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(diǎn)。為了解決這些問(wèn)題，人們致力于開(kāi)發(fā)基于熱處理或熱機(jī)械處理的后處理，例如直接退火、類(lèi)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(shí)保持初始的高強(qiáng)度的細(xì)化顯微組織。然而，有一些可能令人滿(mǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)，而屈服強(qiáng)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(lái)自工業(yè)界尋求進(jìn)一步工藝參數(shù)優(yōu)化的巨大努力，而且來(lái)自研究微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)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(jī)械性能或功能的路線(xiàn)圖。特別是隨著機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 或深度學(xué)習(xí) (DL) 的發(fā)展，研究人員開(kāi)始尋求最佳參數(shù)，評(píng)估內(nèi)部孔隙缺陷并使用 ML 方法預(yù)測(cè)力學(xué)性能，豐富的金屬增材制造數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)完美的數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，使用先進(jìn)的原位測(cè)試技術(shù)，通過(guò)透射掃描顯微鏡 (TEM)、同步加速器 X 射線(xiàn)衍射 (SXRD) 或中子衍射，獲得了基本變形機(jī)制、相間內(nèi)應(yīng)力分配和變形過(guò)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(lái)研究的重點(diǎn)。

華中科技大學(xué)李振環(huán)教授團(tuán)隊(duì)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(jī)械加工或拋光的樣品，旨在專(zhuān)門(mén)了解核心微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷在確定機(jī)械性能中的作用，同時(shí)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(píng)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(qiáng)度、延性(強(qiáng)化和損傷機(jī)制)、斷裂韌性、疲勞抗力及其相關(guān)性，據(jù)作者稱(chēng)，這些在其他文獻(xiàn)中尚未完全建立。綜述第2節(jié)簡(jiǎn)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(jiǎn)述了孔隙率的形成條件與獲得所需孔隙率的操作。隨后，對(duì)于材料的強(qiáng)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(jìn)行綜述，并通過(guò)塑性行為的建模和仿真來(lái)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(wèn)題和進(jìn)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(jìn)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(lài)動(dòng)力學(xué)，無(wú)法完全消除初始孔隙。然而，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，孔隙率已經(jīng)可以降低到一個(gè)較低的水平。即使使用機(jī)械制造商推薦的參數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)非常高密度的成品零件。
（3）屈服強(qiáng)度、應(yīng)變硬化、損傷和斷裂抗力與顯微組織形態(tài)和細(xì)度的關(guān)系已被闡明。各向異性強(qiáng)度主要由富硅細(xì)長(zhǎng)胞狀網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)，而各向異性斷裂韌性主要來(lái)自熔池排列。低的初始孔隙率似乎對(duì)強(qiáng)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(kāi)始。與孔隙率相似但機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(qǐng)注意，比例尺在 (a) 和 (b) 中具有相同的物理長(zhǎng)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(tái)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(lái)的兩個(gè)長(zhǎng)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(jí)特征示意圖。

圖5:搭建平臺(tái)溫度對(duì)LPBF AlSi10Mg組織的影響。35℃時(shí)熔池邊界(a)、富硅網(wǎng)絡(luò)(c)和納米顆粒(e)， 200℃時(shí)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(duì)LPBF AlSi10Mg組織的影響。

圖7:顯示不同時(shí)刻粉末運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài) X 射線(xiàn)圖像(a)-(c)，顯示金屬蒸氣氣體在不同時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的紋影高速圖像 (d)，模擬熔池動(dòng)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(xiàn)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(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了鑄態(tài) LPBF AlSi10Mg 的拉伸性能。強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率 (a)、屈服強(qiáng)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(tái)溫度下的屈服強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度與線(xiàn)性能量密度 (e)，屈服強(qiáng)度與估計(jì)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(gè)單獨(dú)的研究（從左到右），其中可以觀察到冷卻速率對(duì)水平試樣屈服強(qiáng)度的影響。

圖10:LPBF AlSi10Mg變形過(guò)程中位錯(cuò)演變。原位TEM壓縮試驗(yàn)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(xiàn)(b)和位錯(cuò)演化過(guò)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(cuò)模式，在變形拉伸試樣中含有相對(duì)較大的Si顆粒(g)的位錯(cuò)-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(yàn)，無(wú)誘導(dǎo)的疲勞預(yù)裂紋的單邊缺口試樣(c)和(d)試驗(yàn)。在（b）中LT表示層厚、HS表示開(kāi)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(lái)仍需進(jìn)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(duì)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(qǐng)注意，Al基體強(qiáng)度會(huì)改變相之間的負(fù)載分配，因此會(huì)影響強(qiáng)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(qiáng)度預(yù)測(cè)。如何用一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)來(lái)描述整個(gè)熔池的微觀結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
（3）異質(zhì)區(qū)之間的負(fù)載分配：以前的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)：損傷演化高度依賴(lài)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(guò)建模和仿真進(jìn)行的研究正在興起。多尺度策略被認(rèn)為是評(píng)估復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)（如 LPBF AlSi10Mg）的強(qiáng)度、硬化和損傷行為的適當(dāng)方法。需要更多的努力來(lái)改進(jìn)塑性變形的建模并啟動(dòng)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(wèn)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(gè)意義上說(shuō)，所獲得的知識(shí)和建模方案有望直接轉(zhuǎn)移到已開(kāi)發(fā)或新興的增材制造金屬，特別是對(duì)于增材制造鋁合金。