西工大林鑫教授頂刊丨基于原位高速重熔的激光增材制造鋁合金強(qiáng)-塑性突破！

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

近期，題目為“Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting” 的研究論文發(fā)表在Materials Research Letters上。論文第一作者為西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院博士生史碩晴，通訊作者為林鑫教授、趙宇凡教授以及楊海歐副研究員，第一通訊單位為西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

增材制造技術(shù)的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)帶來了深刻變革，但目前鋁合金的制備面臨兩大困境：一方面，高強(qiáng)鋁合金的增材制造可加工性較差；另一方面，鑄造鋁合金雖然成形性優(yōu)異，但難以突破中-高強(qiáng)度性能范圍，嚴(yán)重制約了其在極端服役環(huán)境下的應(yīng)用。為此，研究者嘗試各種方法來解決這些難題：施加磁場(chǎng)/超聲場(chǎng)等輔助場(chǎng)；采用多種熱處理制度來調(diào)控微觀組織；甚至添加昂貴的稀土元素來達(dá)到晶粒等軸化以及析出強(qiáng)化相的目的。雖然這些努力使得組織-性能得到一定改善，但研發(fā)成本較高。因此，建立一種工藝簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、成本低廉的方法來提升綜合力學(xué)性能，成為具有挑戰(zhàn)的科研議題。

近期，西北工業(yè)大學(xué)林鑫教授團(tuán)隊(duì)在深刻理解快速凝固理論的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮激光增材制造的極端工藝條件，以最為常見且價(jià)格低廉的AlSi10Mg合金為對(duì)象，開發(fā)出一種原位高速重熔策略（HSSR），使得晶粒發(fā)生顯著的柱狀晶→等軸晶轉(zhuǎn)變（CET），同時(shí)獲得更加細(xì)化的晶內(nèi)胞狀亞結(jié)構(gòu)，提高了Al基體中納米析出相的體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)了增材制造鋁合金的強(qiáng)-塑性突破。制備出的鋁合金試樣具有優(yōu)異的表面光潔度以及內(nèi)部冶金質(zhì)量；屈服強(qiáng)度為279.5 ± 2.3 MPa，抗拉強(qiáng)度為496.1 ± 5.8 MPa，斷裂延伸率為21.4 ± 0.9%，綜合拉伸性能在目前已知的所有增材制造鋁硅合金及復(fù)材中表現(xiàn)最為優(yōu)異。相關(guān)工作以題為“Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting” 的研究論文發(fā)表在Materials Research Letters上。論文第一作者為西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院博士生史碩晴，通訊作者為林鑫教授、趙宇凡教授以及楊海歐副研究員，第一通訊單位為西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

在本工作中，對(duì)常規(guī)激光選區(qū)熔化（LPBF）試樣以及高速重熔策略（HSSR）試樣進(jìn)行了對(duì)比研究。通過微觀組織分析可知（圖1），非重熔LPBF試樣具有強(qiáng)烈的 <100> 織構(gòu)，Al基體內(nèi)部析出相不顯著。相比之下，HSSR試樣的熔池區(qū)域邊界不明顯；等軸晶比例顯著提升，呈現(xiàn)出柱狀晶-等軸晶混合形態(tài)，并且GND更多的分布在熔池內(nèi)部。HSSR策略后，晶粒的 [001] 取向被削弱，各向異性程度顯著降低；晶內(nèi)胞狀亞結(jié)構(gòu)的等軸化趨勢(shì)加強(qiáng)；且Al基體內(nèi)部彌散分布大量的納米析出顆粒。通過分布直方圖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，HSSR策略促進(jìn)了晶粒以及晶內(nèi)胞狀亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化和等軸化。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

▲圖1 沉積試樣的微觀組織。（a-a2）（i-i2）帶對(duì)比度、反極圖和GND分布圖；（b）（j）分別對(duì)應(yīng)（a1）（i1）的極圖；（c-d）（k-l）晶粒等效直徑和長(zhǎng)寬比；（e-f）（m-n）胞狀亞結(jié)構(gòu)的SEM圖像以及長(zhǎng)寬比分布圖；（g-h）（o-p）Al基體內(nèi)部析出相的SEM圖像以及尺寸分布圖。

對(duì)兩組試樣進(jìn)行了室溫拉伸（圖2）。與常規(guī)的LPBF試樣相比，HSSR試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率分別提升了27.3%，22.5%和103.8%。對(duì)比圖中列舉了增材制造外加輔助場(chǎng)、后續(xù)熱處理、常規(guī)重熔、添加強(qiáng)化顆粒等不同工藝條件下AlSi10Mg合金，以及添加稀土元素改性的高強(qiáng)鋁合金的拉伸性能�？芍�，利用HSSR策略，合金的斷裂強(qiáng)度和延伸率同時(shí)顯著提升，在目前已知數(shù)據(jù)中表現(xiàn)最為突出。通過對(duì)加工硬化指數(shù)的進(jìn)一步分析可知，HSSR策略試樣具有顯著的加工硬化能力，且隨著拉伸應(yīng)變的不斷提升，加工硬化指數(shù)逐漸升高，從而可以獲得優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度。

▲圖2 軸向拉伸性能。（a）典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）軸向拉伸強(qiáng)度-斷裂延伸率性能對(duì)比圖；（c）真應(yīng)力/加工硬化率-真應(yīng)變曲線；（d）不同應(yīng)變階段下的加工硬化指數(shù)。

本研究創(chuàng)造性提出的原位高速重熔策略（HSSR），是一種簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定可靠、成本低廉的調(diào)控手段。HSSR策略促進(jìn)了晶粒以及晶內(nèi)胞狀亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化和等軸化。通過較硬等軸晶和較軟柱狀晶間協(xié)調(diào)變形，有效緩解了熔池邊界的應(yīng)變局部化，延遲了脫粘，提升了試樣延展性；同時(shí)晶粒及晶內(nèi)胞狀亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化、以及Al基體內(nèi)納米析出相比例提升，有效改善了加工硬化能力，使拉伸強(qiáng)度提升。這一成果不僅使得增材制造鋁硅合金獲得了前所未有的拉伸性能，還有望為增材制造其他類型合金的性能提升開辟一條新的技術(shù)途徑，具有巨大工程應(yīng)用潛力。