增材制造金屬的斷裂和疲勞（1）

來源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文對(duì)AM合金中結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的當(dāng)前理解進(jìn)行了全面回顧。本文為第一部分。


與傳統(tǒng)制造方法相比，金屬部件的增材制造（AM）具有許多優(yōu)勢(shì)，最顯著的是在幾乎沒有材料浪費(fèi)的情況下實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自由。因此，目前對(duì)各種結(jié)構(gòu)合金的制造方面有著重大的興趣。同時(shí)，建立加工-微觀結(jié)構(gòu)-機(jī)械性能關(guān)系，以及AM工藝固有的缺陷、殘余應(yīng)力和細(xì)觀結(jié)構(gòu)等屬性，對(duì)于廣泛采用AM制造的結(jié)構(gòu)金屬部件至關(guān)重要。本文對(duì)AM合金中結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的當(dāng)前理解進(jìn)行了全面回顧。強(qiáng)調(diào)了AM合金微觀結(jié)構(gòu)、工藝相關(guān)屬性及其對(duì)拉伸、斷裂、疲勞裂紋擴(kuò)展和無缺口疲勞性能的影響的獨(dú)特方面，強(qiáng)調(diào)了微觀結(jié)構(gòu)和工藝屬性之間的相互作用，以確定AM合金在性能方面的結(jié)構(gòu)完整性�？偨Y(jié)了通過在AM期間臨時(shí)改善加工條件或通過退火、熱等靜壓和噴丸等后處理處理來提高合金損傷容限的策略。確定了在理解AM合金疲勞和斷裂方面存在的差距。預(yù)計(jì)這些差距將為這一領(lǐng)域的研究提供未來的途徑。

1介紹

金屬零件的傳統(tǒng)制造除了是關(guān)鍵技術(shù)的推動(dòng)因素外，也是現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)組成部分。通常，制造包括鑄造，然后使用鍛造、軋制或擠壓（或其他方法）進(jìn)行熱機(jī)械加工“成形”，以及通過焊接、機(jī)加工、表面改性等進(jìn)行最終“精加工”。隨著這些工藝經(jīng)過幾個(gè)世紀(jì)的微調(diào)和完善，人們對(duì)合金成分、加工歷史、微觀結(jié)構(gòu)演變和機(jī)械性能之間的關(guān)系有了詳細(xì)的了解，并將其應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐。鑒于結(jié)構(gòu)零件通常必須同時(shí)滿足多個(gè)特性指標(biāo)，此類知識(shí)尤其重要，因?yàn)槌煞只蚣庸ぢ肪�（或兩者）的微小變化可能以多種方式改變特性組合，而這些方式不一定以簡(jiǎn)單的方式關(guān)聯(lián)。

在兩種尺寸縮放情況的第一次成形操作中，具有不同狀態(tài)和沖壓沖程的板材的微觀結(jié)構(gòu)。

增材制造（AM）與傳統(tǒng)制造中通常采用的“減材制造”相比，有可能篡奪上述微調(diào)制造均衡。這是因?yàn)樗�提供了許多優(yōu)勢(shì)：（i）僅使用一個(gè)制造步驟進(jìn)行近凈成形零件制造，（ii）設(shè)計(jì)靈活性，允許進(jìn)入否則無法利用的設(shè)計(jì)空間，（iii）接近零的材料損耗，導(dǎo)致高的“飛購(gòu)”比，（iv）零件的快速原型制作和測(cè)試，這顯著減少了新設(shè)計(jì)從“概念到部署”的周期時(shí)間，（v）使用不同合金制造不同類型組件的靈活性，（vi）按需制造，從而降低庫(kù)存成本和最小化供應(yīng)鏈中斷，以及（vii）能夠生產(chǎn)具有組分梯度的零件或其中包含多種合金。因此，全世界都對(duì)AM感到相當(dāng)興奮，已經(jīng)（或正在）對(duì)研究和能力建設(shè)進(jìn)行了大量投資。AM對(duì)于工業(yè)4.0的重要性（由于其數(shù)字特性）也是一個(gè)根本原因。

在正在探索的不同類別的材料中，金屬和合金的AM在技術(shù)上是最具挑戰(zhàn)性的，因?yàn)橐愿叨瓤稍偕�的方式生產(chǎn)零件并不像表面看起來那么簡(jiǎn)單。由于其他與工藝相關(guān)的屬性，如孔隙度、殘余應(yīng)力、由逐行、逐層構(gòu)建策略產(chǎn)生的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，以及構(gòu)建零件不同位置的微觀結(jié)構(gòu)變化，使得工藝結(jié)構(gòu)屬性關(guān)系的建立變得相當(dāng)復(fù)雜。因此，確保為質(zhì)量評(píng)估和認(rèn)證目的生產(chǎn)的零件的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性仍然是阻礙AM廣泛應(yīng)用的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。解決這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是詳細(xì)的結(jié)構(gòu)-屬性關(guān)聯(lián)，同時(shí)也要考慮過程屬性。雖然對(duì)制造方面和微觀結(jié)構(gòu)-拉伸性能連接進(jìn)行了廣泛的調(diào)查和報(bào)告，但對(duì)最終決定工程零件結(jié)構(gòu)完整性的疲勞和斷裂方面的研究并不廣泛，尤其是從“微觀結(jié)構(gòu)”的角度。

疲勞驅(qū)動(dòng)斷裂是承重部件結(jié)構(gòu)失效的最主要原因。在傳統(tǒng)制造的金屬合金中，驅(qū)動(dòng)疲勞失效的萌生、擴(kuò)展和快速斷裂機(jī)制的微觀結(jié)構(gòu)起源已被充分理解。然而，對(duì)于AM合金中獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，如細(xì)亞穩(wěn)相、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和孔隙率（所有這些都是由獨(dú)特的加工屬性直接導(dǎo)致的）如何影響疲勞和斷裂的理解還沒有完全確定。這不僅對(duì)AM組件的可靠性評(píng)估至關(guān)重要，而且有助于確定必須修改的加工步驟，以生產(chǎn)具有足夠或優(yōu)越結(jié)構(gòu)完整性的組件。

AM與大量的工藝參數(shù)相關(guān)聯(lián)，允許復(fù)雜的設(shè)計(jì)特征，導(dǎo)致極不尋常的加載配置，并允許定制零件生產(chǎn)；這使得連接材料、工藝和結(jié)構(gòu)尤其困難�？紤]到這一點(diǎn)，我們?cè)诖巳�面回顧了AM合金的疲勞和斷裂方面。此外，由于微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能是討論的重要部分，因此也總結(jié)了這些方面。

馬氏體時(shí)效鋼LBM試樣在480℃/5 h時(shí)效期間的再奧氏體化。原子探針層析成像(APT)測(cè)量的位置(a)，以及元素Ni, Co, Mo和Ti沿圓柱體的濃度分布(b)，如(a)所示。

2 廣泛使用的AM技術(shù)和合金

2.1. 方法

ISO/ASTM 52900標(biāo)準(zhǔn)目前將AM工藝分為以下七類：粘合劑噴射（或粘合劑噴射打印，BJP）、定向能沉積（DED）、材料擠出、材料噴射、粉末床熔融（PBF）、板材層壓和還原型光聚合。根據(jù)所使用的能源（激光或電子束和電�。�、原料狀態(tài)（粉末、金屬絲或板材）和進(jìn)料方法（吹塑或喂料粉末或粉末床）對(duì)這些材料進(jìn)行進(jìn)一步分組。根據(jù)有關(guān)AM合金疲勞和斷裂的現(xiàn)有文獻(xiàn)的數(shù)量和質(zhì)量以及其中的微觀結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性，本綜述的重點(diǎn)僅限于三種粉末基技術(shù)，即BJP、PBF和DED。

與DED相比，PBF主要用于全尺寸零件的制造，因此，就工業(yè)應(yīng)用而言，PBF是最接近傳統(tǒng)制造的天然替代品。目前最流行的金屬調(diào)幅方法是基于激光的PBF或LB-PBF。它的普及主要是由于相對(duì)較高的尺寸精度，較低的機(jī)器成本和較短的制造時(shí)間。電子束基PBF (EB-PBF)是在高真空環(huán)境下進(jìn)行的，通常低于10 - 4mbar，為制造對(duì)氧和氮具有高親和力的材料(如Ti和Al合金)提供了理想的低污染環(huán)境。

在標(biāo)準(zhǔn)樣品C0的AM構(gòu)建中觀察到的孔隙類型的例子，在相同的比例下，并轉(zhuǎn)換成適合單個(gè)圖形:球形孔隙，小(i)和大(ii)(藍(lán)色);(iii)兩個(gè)近球形孔連在一起(藍(lán)綠色);不規(guī)則的毛孔，小的(iv)和大的(v)不規(guī)則的(紅色)。構(gòu)建方向是z，而x和y表示孵化方向。

在DED中，材料通常是通過壓力噴粉的方式沉積到熱源的焦點(diǎn)。最常見的是，DED用于表面涂層和修復(fù)由于磨損或損壞而導(dǎo)致材料缺失的零件。雖然電子束或電弧熱源已被用于DED技術(shù)，但最近的大多數(shù)發(fā)展都集中在基于激光的DED (LB-DED)。

PBF過程如圖1a所示。使用料斗或靠近粉床的蓄水池將粉末分布在床上。每一層通常是有選擇地熔化一條線，每次與相鄰線重疊，以形成所需形狀的層。為了制備連續(xù)層，降低構(gòu)建平臺(tái)，在粉末床上鋪開預(yù)定厚度的新粉末層，并重復(fù)選擇性熔化。重復(fù)這個(gè)過程來構(gòu)建三維部分。制造完成后，去除未熔的粉末，以顯示其AB狀態(tài)的部分，熔融到構(gòu)建平臺(tái)。理想情況下，在移除支撐結(jié)構(gòu)和移除搭建平臺(tái)之前，該部件應(yīng)先消除應(yīng)力(SR)，以避免變形。通常進(jìn)行后處理，包括熱處理，如退火(AN)和表面加工步驟，以增加機(jī)械性能和細(xì)化尺寸公差。

圖1 示意圖說明了（a）基于激光的粉末床熔合（LB-PBP）工藝、（b）基于激光的定向能沉積（LB-DED）工藝和（c）粘合劑噴射打�。˙JP）工藝。

PBF工藝中的層厚度可以在20到200µm之間，這取決于用于固結(jié)的材料類型和熱源。為了使粉末床的流動(dòng)順暢和填充良好，顆粒需要盡可能呈球形，且尺寸分布較窄。在LB-PBF中，粉末材料被選擇性熔融，通常使用波長(zhǎng)約1070 nm、功率范圍為20至1000 W的Nd:YAG激光器。焦平面內(nèi)激光束的典型光斑尺寸介于50至180µm之間，具體取決于所使用的制造系統(tǒng)。激光束通過電流計(jì)掃描儀定向，以在沉積粉末層上實(shí)現(xiàn)100至2000 mm/s的掃描速度。

典型激光粉末DED工藝示意圖。

通過熔化表面并同時(shí)應(yīng)用粉末原料來制造零件。粉末由同軸安裝在熱源上的噴嘴供應(yīng)。生成的熔池通常通過用惰性氣體淹沒構(gòu)建區(qū)域來防止氧化。DED工藝不受尺寸限制，因此更常用于生產(chǎn)大型零件。此外，通過在現(xiàn)有零件上沉積合金，可以在維修應(yīng)用中使用DED工藝。

雖然BJP方法還依賴于粉末床系統(tǒng)（圖1c），但它采用選擇性沉積粘合劑來構(gòu)建綠色零件，隨后對(duì)其進(jìn)行高溫?zé)�結(jié)，以首先燃燒聚合物粘合劑，然后燒結(jié)粉末顆粒以達(dá)到最終密度和強(qiáng)度。由此產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)沒有亞穩(wěn)相、殘余應(yīng)力，并且與使用常規(guī)方法產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)相當(dāng)。雖然被認(rèn)為更便宜（而且生產(chǎn)率更快），但該工藝的主要缺點(diǎn)是相對(duì)較高的孔隙度。

2.2. 合金

AM考慮了多種金屬和合金；報(bào)道最多的是鈦合金、鋼、鎳基高溫合金和鋁合金。

在鈦合金中，Ti-6Al-4V（Ti6Al4V）是一種α+β合金，開發(fā)最為廣泛，LB-PBF、EB-PBF和LB-DED成功用于制造零件。還對(duì)其他鈦合金，如使用LB-PBF生產(chǎn)的Ti13Nb13Zr和Ti6Al2Sn4Zr2Mo以及使用LB-DED生產(chǎn)的Ti6.5Al3.5Mo1.5Zr0.3Si進(jìn)行了檢驗(yàn)。還使用LB-PBF和EB-PBF生產(chǎn)了TiAl基合金，如Ti48Al2Cr2Nb，使用EB-PBF生產(chǎn)了Ti43.5Al4Nb1Mo0.1B。

經(jīng)DED處理的竣工MLM試樣橫截面上的顯微硬度分布：（a）I型和（b）II型。

鎳基高溫合金因高溫應(yīng)用而廣為人知，通過使用LB-PBF、EB-PBF和LB-DED檢查其打印適性，包括鉻鎳鐵合金625和718。此外，還探索了使用微型激光輔助加工工藝制造Inconel 100零件的方法。

經(jīng)DED處理的竣工MLM試樣的微觀結(jié)構(gòu)：（a）I型和（b）II型。

使用AM生產(chǎn)的不同鋁合金數(shù)量有限。使用LB-PBF、EB-PBF和LB-DED成功生產(chǎn)的合金包括時(shí)效硬化AlSi10Mg和共晶AlSi12。

使用AM加工金屬的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于熱源和原料材料之間相互作用的性質(zhì)。此外，具有高度不同蒸氣壓的合金元素，例如鋁與鎂和鋰合金，在真空條件下優(yōu)先汽化。絕大多數(shù)合金在LB-PBF、EB-PBF和LB-DED期間普遍存在的快速凝固條件下容易開裂。一般而言，易焊接合金也適用于采用這些方法進(jìn)行AM的合金。除此之外，合金、鈦基和鐵基合金的同素異形，以及通常與某些AM技術(shù)相關(guān)的大溫度梯度和復(fù)雜熱循環(huán)，使得AM工藝、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系獨(dú)特。這反過來又使制造的合金及其機(jī)械性能對(duì)所使用的工藝高度敏感。因此，在零件制造過程中，需要仔細(xì)選擇工藝參數(shù)組合并進(jìn)行精確控制，以提高可靠性。

激光沉積Ti−6.5Al−3.5Mo−1.5Zr−0.3Si板在YOZ截面上的形貌。

粉末原料的質(zhì)量在決定制造零件的整體質(zhì)量，尤其是相對(duì)密度方面起著至關(guān)重要的作用。在PBF工藝中，粉末粒度和分布、球形度、粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)影響其流動(dòng)性，從而影響AM工藝中沉積材料的能力。

與PBF工藝不同，DED方法對(duì)原料不太敏感。然而，粉末顆粒表面上的裂紋或劃痕可能導(dǎo)致最終AM零件中出現(xiàn)孔隙。Nandwana等人報(bào)告，粉末粒度分布和合金化學(xué)直接影響B(tài)JP零件的燒結(jié)動(dòng)力學(xué)，從而影響收縮率和可實(shí)現(xiàn)的致密化。

3，AM合金中的微觀和細(xì)觀結(jié)構(gòu)

AM期間，在任何給定情況下，采用“直接”方法快速凝固少量熔體，使合金具有類似于使用快速淬火技術(shù)獲得的微觀結(jié)構(gòu)：細(xì)、亞穩(wěn)（通常）和具有增強(qiáng)固溶度的組分相。在本節(jié)中，我們首先總結(jié)了幾個(gè)AM合金類別的共同特征，然后介紹了每個(gè)合金系列的特定特征。

3.1. 常見微觀結(jié)構(gòu)特征

3.1.1. 凝固的細(xì)胞結(jié)構(gòu)

使用直接AM技術(shù)制備的許多合金(即LB-PBF、EB-PBF和LB-DED)的一個(gè)顯著特征是凝固胞狀結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度尺度在LB-PBF和LB-DED合金中可以從~ 0.1到1µm，而使用EB-PB制備的合金通常大于~ 5µm。圖2顯示了由LB-PBF產(chǎn)生的316L細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的代表性圖像。這些結(jié)構(gòu)的形成是凝固過程中結(jié)構(gòu)性過冷的結(jié)果。當(dāng)固液界面前的液體溫度由于溶質(zhì)濃度較高而低于固液界面的凍結(jié)溫度時(shí)，固液界面變得不穩(wěn)定，從而有利于樹枝狀生長(zhǎng)。枝晶的形貌由溫度梯度(G)和凝固速率(H)的比值控制。在LB-PBF中，冷卻速率非常高，凝固時(shí)間不足以形成二次枝晶臂，從而形成胞狀形貌。在冷卻速度相對(duì)較慢的LB-DED過程中，觀察到二次枝晶臂。

圖2 316L細(xì)胞結(jié)構(gòu)的HAADF干細(xì)胞圖像，其中EDS圖譜顯示鉬和鉻在細(xì)胞邊界上的分離。

在幾種合金中觀察到的胞狀結(jié)構(gòu)與溶質(zhì)偏析和位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。以LB-PBF 316L為例，圖2顯示了Cr和Mo在細(xì)胞壁上的分離。在過去的十年中，人們提出了幾種機(jī)制，其中一些是:(i)定向凝固過程中沿晶胞邊界的溶質(zhì)偏析，引起了溶質(zhì)富集產(chǎn)生的應(yīng)力。這種應(yīng)力可以通過位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的形成來調(diào)節(jié)。(ii)沿胞界的溶質(zhì)偏析伴隨著幾何上必要的位錯(cuò)子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致跨胞界的凈定向錯(cuò)。(iii)位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)是由于熱收縮而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的結(jié)果。之后，這種結(jié)構(gòu)增加了沿其擴(kuò)散的溶質(zhì)，導(dǎo)致偏析。

3.1.2. 細(xì)觀結(jié)構(gòu)

AM合金中的細(xì)觀組織不僅表現(xiàn)在采用的掃描方法，還表現(xiàn)在織構(gòu)、晶界和缺陷形成。圖3a顯示了LB-PBF AlSi12的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。在俯視圖中，可以看到固化的激光軌跡，而側(cè)視圖顯示重疊的熔池截面。熔池邊界對(duì)應(yīng)激光束的高斯分布，即最高深度位于激光束的中心。Si在熔池邊界分離，如圖3b和c、d所示為L(zhǎng)B-PBF Ti6Al4V的顯微組織，層間掃描旋轉(zhuǎn)分別從90°變?yōu)?7°。在俯視圖中可以看到兩相合金的先驗(yàn)-β晶粒(PBG)結(jié)構(gòu)，其中90°掃描策略產(chǎn)生了棋盤式結(jié)構(gòu)，每個(gè)正方形的寬度對(duì)應(yīng)于所采用的掃描間距，而67°掃描旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了更球形和等軸結(jié)構(gòu)。側(cè)視圖顯示柱狀PBG結(jié)構(gòu)，也被視為細(xì)觀結(jié)構(gòu)，這在AM Ti6Al4V中常見。

圖3 采用單熔體策略生產(chǎn)的LB-PBF（a）AlSi12具有代表性的微觀結(jié)構(gòu)，（b）SEM圖像顯示了硅偏析的熔池邊界區(qū)域。。（c） Ti6Al4V使用90°掃描旋轉(zhuǎn)和（d）后續(xù)層之間67°掃描旋轉(zhuǎn)生產(chǎn)。

3.2. 合金系統(tǒng)特定屬性

3.2.1. 鈦合金

激光工藝過程中的快速凝固導(dǎo)致在PBG中形成由亞穩(wěn)馬氏體α′相組成的精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)，從而在大多數(shù)鈦合金中形成層次結(jié)構(gòu)。初級(jí)晶粒傾向于延伸到整個(gè)PBG。在一次板條之間形成更細(xì)的二次、三次和四次晶粒（由于凝固合金層經(jīng)歷的重復(fù)加熱循環(huán)），從而形成網(wǎng)狀組織。通過采用合適的掃描策略或添加使晶粒更容易形核的孕育劑，可以實(shí)現(xiàn)從柱狀PBG結(jié)構(gòu)到等軸PBG結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。然而，在微觀結(jié)構(gòu)和性能方面仍然存在顯著的各向異性。

3.2.2. 鋼材

圖4說明了PBF 316L中微觀結(jié)構(gòu)的層次性，其包括熔體池中的細(xì)等軸晶粒及其邊界處的柱狀晶粒。PBF和DED處理鋼的特征顯微組織特征的尺寸范圍很廣。在一端，其尺寸可以與熔池尺寸的順序相同（圖4a）。在更細(xì)的尺度上，它們可以是幾十納米，與凝固單元的尺寸相對(duì)應(yīng)（圖4b和c）。由于凝固速度降低，蜂窩結(jié)構(gòu)的尺寸隨著掃描速度的降低而增大。由于相對(duì)較大的熔池尺寸和較慢的掃描速度，DED工藝通常會(huì)導(dǎo)致形成較大的晶粒。

圖4 顯示分層結(jié)構(gòu)的316L顯微照片。（a）顯示晶粒取向的IPF圖，（b）顯示熔體池中高角度晶界的SEM顯微圖，（c）顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)的TEM顯微圖，（d）細(xì)胞邊界上的氧化物雜質(zhì)。316L的IPF圖顯示了熔池對(duì)織構(gòu)的影響。（e）熔池寬度175µm，深度75µm（f）熔池寬度175µm，深度125µm，和（g）熔池寬度250µm，深度125µm。

Olivier等人證明，可以通過改變?nèi)鄢氐男螤詈痛笮�來減少外延生長(zhǎng)，如圖4e-g所示。也可以通過在一定程度上改變工藝參數(shù)來改變晶體結(jié)構(gòu)。例如，Zhongji等人通過采用多掃描策略來產(chǎn)生寬高比為2:1的穩(wěn)定深熔池，設(shè)計(jì)了一種<011>晶體織構(gòu)來代替首選的<001>織構(gòu)。

在SLM制造的SS316L樣品中形成<001>和<011>晶體紋理，激光功率分別為380 W和950 W。

LB-PBF 18Ni300馬氏體時(shí)效鋼也表現(xiàn)出分級(jí)顯微組織，凝固胞位于馬氏體顯微組織內(nèi)部。在AB條件下，微觀結(jié)構(gòu)由馬氏體和奧氏體組成，未觀察到沉淀或小原子團(tuán)，表明冷卻速度足以抑制沉淀。這使得AB狀態(tài)下的合金具有相當(dāng)?shù)娜彳浶院脱诱剐浴?br />
3.2.3. 鎳基高溫合金

鎳基高溫合金零件已使用所有主要AM工藝成功生產(chǎn)，其中鉻鎳鐵合金718和625是研究最廣泛的合金。其中的微觀結(jié)構(gòu)從等軸到柱狀不等，這取決于所采用的熔池幾何形狀和工藝參數(shù)。在AM過程中，晶粒形貌可以得到一定程度的控制。

在AB狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生析出強(qiáng)化，因?yàn)橥ㄟ^析出溫度的快速冷卻不允許γ′和γ”相的形成�？焖倌�固還導(dǎo)致Nb、Ti和Mo沿晶胞邊界發(fā)生微偏析，如圖5a-c所示。這導(dǎo)致沿晶胞邊界形成Laves相，或在晶胞和晶界形成δ相。其中一些相不利于合金的機(jī)械性能。此外，Laves相還吸收了Nb、Mo和Ti，這些元素對(duì)時(shí)效過程中γ′和γ”相的形成至關(guān)重要。

圖5（a） HAADF-STEM顯微照片和STEM-EDX圖突出了（b）Nb和（c）Ti沿細(xì)胞邊界的分離。顯示Nb在（d）AB試樣中偏析的EPMA元素圖，（e）老化后（AG，720°C，8 h，620°C，8 h），（f）溶解和老化后（STA，980°C，1 h，AG），（g）均化和溶解后（HSTA，1150°C，1 h，STA）。

3.2.4. 鋁合金

在高強(qiáng)度鋁合金中，AlSi12和AlSi10Mg以及AA2024和AA7050是最常見的適用于AM工藝的鋁合金。傳統(tǒng)生產(chǎn)的鋁硅合金在其微觀結(jié)構(gòu)中含有明顯較粗的硅顆粒。由于PBF和DED過程中的高冷卻速率，鋁通過硅的偏析而凝固，從而導(dǎo)致硅在初生鋁相周圍富集，從而形成細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

硅顆粒尺寸已顯示出隨打印零件尺寸的變化而變化；高溫下持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)允許硅在柱狀晶粒中沉淀。固溶體中的硅濃度為∼ 7 wt%（與傳統(tǒng)制造合金的1.6 wt%相比），由于固溶強(qiáng)化，導(dǎo)致AM-Al-Si合金的強(qiáng)度顯著增加。硅顆粒在AB零件中的不均勻分布對(duì)其機(jī)械性能既有利又有害。因此，已采用各種熱處理來改善機(jī)械性能。圖6a顯示了沿胞狀邊界偏析的共晶硅顆粒網(wǎng)絡(luò)，即使在熱處理后仍保留（圖6b）。雖然標(biāo)準(zhǔn)T6熱處理已被證明消除了硅網(wǎng)絡(luò)，但在>500°C的溫度下進(jìn)行溶解，會(huì)從固溶體中釋放出大量的硅，從而在晶界處形成粗硅顆粒（圖6d）。

圖6 SEM顯微照片顯示了（a）AB條件下的硅顆粒分布，（b）AN（160°C持續(xù)5小時(shí)），（C）SR后（320°C持續(xù)2小時(shí)），以及（d）T6處理后（510°C持續(xù)6小時(shí)），然后是AG（170°C持續(xù)4小時(shí)）。

來源：Fracture and fatigue in additively manufactured metals, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

參考文獻(xiàn)：D.D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe, Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms,Int. Mater. Rev., 57 (2012), pp. 133-164, 10.1179/1743280411Y.0000000014