南航頂刊：航空航天承力鋁合金構(gòu)件材料-工藝-性能一體化激光增材制造

來(lái)源： 兩機(jī)動(dòng)力先行

鋁合金常被用于航空航天承力部件，其高溫力學(xué)性能對(duì)于飛行器的飛行安全至關(guān)重要。基于粉末床的激光增材制造鋁合金已經(jīng)在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了很多重要應(yīng)用，因此，亟須建立LPBF成形鋁合金組織與高溫力學(xué)性能之間的映射關(guān)系，進(jìn)一步探索合金組織-高溫性能一體化調(diào)控機(jī)理，對(duì)提升其在航空航天等領(lǐng)域的服役安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圍繞如何提升激光增材制造AlSi10Mg成形件的室溫/高溫力學(xué)性能，南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)與成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，研究了成形方向?qū)�LPBF成形AlSi10Mg合金冶金缺陷、顯微組織、室溫/高溫力學(xué)性能、疲勞性能的影響規(guī)律，揭示了LPBF成形AlSi10Mg合金疲勞裂紋的擴(kuò)展機(jī)理，為提升LPBF成形AlSi10Mg的綜合服役性能提供理論指導(dǎo)。相關(guān)研究在《中國(guó)激光》學(xué)術(shù)期刊刊登，并以封面文章發(fā)表。

封面呈現(xiàn)了激光粉末床熔融一體化成形鋁合金復(fù)雜構(gòu)件及鋁合金標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣的過(guò)程。激光粉末床熔融技術(shù)為高性能復(fù)雜鋁合金構(gòu)件的短周期、凈成形制造提供了新的技術(shù)途徑。

激光增材制造鋁合金構(gòu)件室溫及高溫力學(xué)性能對(duì)于提升其在航空航天等領(lǐng)域的服役穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文研究了成形方式對(duì)激光粉末床熔融(LPBF) AlSi10Mg構(gòu)件室溫壓縮性能、高溫拉伸性能、高周疲勞性能和室溫裂紋擴(kuò)展速率等力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：水平方式成形試樣(拉伸、壓縮、疲勞等載荷平行于試樣鋪粉方向)具有更優(yōu)的壓縮性能，表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度(分別為201.0 MPa與251.3 MPa)；在高溫拉伸試驗(yàn)中，不同成形方向試樣的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度升高(從100 ℃升至175 ℃)均呈下降趨勢(shì)，而延伸率均逐漸升高，且水平方式成形試樣的拉伸性能均優(yōu)于垂直方式成形試樣(載荷垂直于試樣鋪粉方向)。垂直方式成形AlSi10Mg合金試樣經(jīng)歷107循環(huán)周次的中值疲勞強(qiáng)度為151.25 MPa，疲勞壽命約為2.1×105周次，疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值為0.981 MPa·m1/2。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)激光粉末床熔融技術(shù)制備AlSi10Mg構(gòu)件，研究了基于成形方向調(diào)控的鋁合金組織演變對(duì)室溫/高溫靜力學(xué)性能影響，探究了激光增材制造AlSi10Mg構(gòu)件的疲勞等動(dòng)力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)了鋁合金構(gòu)件的材料—組織—性能一體化激光高性能制造。成形方向采用水平成形方式（拉伸、壓縮、疲勞等載荷平行于試樣鋪粉方向）和垂直成形方式（載荷垂直于試樣鋪粉方向）[圖1(b)]。LPBF成形AlSi10Mg疲勞試樣如圖1(c) 、(d)所示。

圖1（a）LPBF成形過(guò)程；（b）垂直、平行與鋪粉方向的成形試樣示意圖；（c）LPBF成形AlSi10Mg柱狀試樣；（d）標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣

圖2 不同方向成形試樣高溫拉伸性能柱狀圖。（a）100 ℃；（b）125 ℃；（c）150 ℃；（d）175 ℃

圖3 垂直方式成形試樣疲勞性能。（a）光滑試樣的疲勞S-N曲線(xiàn)（R = 0.1、Nf = 107）；（b）疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN隨應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍∆K關(guān)系曲線(xiàn)

主要結(jié)論
1)垂直方式成形試樣的截面顯示了不同方向的熔池形態(tài)，熔池主要呈橢球形和半圓柱形，熔池寬度約為100μm水平方式成形試樣截面的顯微組織顯示，沿成形方向的熔池呈典型的魚(yú)鱗形態(tài)，熔池深度為30~80μm。不同方向成形柱狀試樣截面上的熔池邊界較為清晰，但顯微組織差異較大:垂直方式成形柱狀試樣的截面呈半圓柱形熔池形貌，而水平方式成形柱狀試樣的截面呈層狀結(jié)構(gòu)。這歸因于LPBF工藝逐層累積、熔池逐層熔凝的特性。

2) 垂直方式成形試樣的壓縮強(qiáng)度低于水平方式成形試樣。在壓縮過(guò)程中，垂直方式成形試樣的裂紋擴(kuò)展路徑比較簡(jiǎn)單，而水平方式成形試樣的裂紋擴(kuò)展路徑較為復(fù)雜，因而后者具有更高的壓縮強(qiáng)度。溫度和成形方向均會(huì)影響LPBF成形AlSi10Mg合金的拉伸性能:隨著溫度升高，所有試樣的強(qiáng)度都呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，而延伸率則逐漸升高；水平方式成形試樣的強(qiáng)度均高于垂直方式成形試樣。由于LPBF鋁合金熔池邊界的粗晶特征，熔池與層間結(jié)合成為影響材料拉伸性能的最主要因素。在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，拉伸載荷的方向與垂直試樣層間位置垂直，熔池邊界粗晶區(qū)的裂紋在應(yīng)力影響下更易形核擴(kuò)展；而水平方式成形試樣的拉伸載荷平行于層間位置，粗晶區(qū)對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響較小，故水平方式成形試樣具有更高的拉伸性能。

3) LPBF垂直方式成形AlSi10Mg合金試樣的疲勞強(qiáng)度為151.25MPa；經(jīng)歷107次循環(huán)后，合金的疲勞強(qiáng)度有較大損失，強(qiáng)度下降原因是疲勞性能對(duì)孔洞等缺陷比較敏感。LPBF成形AlSi10Mg合金的疲勞壽命為2.1×105周次，疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值ΔKth為0.981MPa·m1/2。

總結(jié)
研究采用激光粉末床熔融高精度增材制造技術(shù)，探究了不同成形方向?qū)�AlSi10Mg合金室溫/高溫靜力學(xué)性能的影響，系統(tǒng)探究了激光增材制造AlSi10Mg構(gòu)件疲勞性能，揭示了基于成形方向調(diào)控的鋁合金組織演變對(duì)力學(xué)性能影響機(jī)制，優(yōu)化了激光粉末床熔融成形AlSi10Mg疲勞性能，實(shí)現(xiàn)了鋁合金材料—組織—性能一體化高性能制造，為激光增材制造鋁合金在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了科學(xué)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。