通過激光粉末床熔化(LPBF) 增材制造工藝生產(chǎn)的 AlSi10Mg 合金部件通常比通過傳統(tǒng)成熟加工技術(shù)制造的部件具有更高的強(qiáng)度但延展性更低。熔池邊界對 LPBF 生產(chǎn)的 AlSi10Mg 的延展性和斷裂行為的影響尚未得到系統(tǒng)研究。
        多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究團(tuán)隊在相關(guān)工作中，重點使用原位拉伸試驗研究熔池邊界區(qū)域的局部應(yīng)變演變、微孔生長和裂紋形成和基于同步加速器的 X 射線顯微斷層掃描。結(jié)果表明，熔池邊界的面積分?jǐn)?shù)從 5.48% 降低到 4.48% 導(dǎo)致 LPBF AlSi10Mg 樣品的拉伸延展性從 7.2% 增加到 9.8%。通過影響 LPBF 工藝中熔池邊界的密度，同時保持零件密度，這項研究工作為實現(xiàn)兼具高強(qiáng)度和延展性的 AlSi10Mg 增材制造產(chǎn)品提供了一個新機(jī)會。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114954

 研究背景

      激光粉末床融合( LPBF ) 使用激光束熔化粉末并構(gòu)建三維近凈形零件。AlSi10Mg 的 LPBF 因其高強(qiáng)度重量比、優(yōu)異的耐腐蝕性以及在汽車和航空航天工業(yè)。與鑄態(tài)對應(yīng)物相比，LPBF 生產(chǎn)的 AlSi10Mg 顯示出更高的強(qiáng)度。然而，相對較差的延展性阻礙了 AlSi10Mg LPBF 增材制造技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。

      LPBF 增材制造AlSi10Mg 材料系統(tǒng)通常表現(xiàn)出異質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特征，例如 (i) 熔池內(nèi)的細(xì)孔，(ii) 沿熔池邊界的粗孔，以及 (iii) 熔池邊界外圍的熱影響區(qū) (HAZ)。在研究異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，特別是熔池邊界對 LPBF 增材制造AlSi10Mg 的斷裂機(jī)制和拉伸延展性的影響方面存在知識空白。
       最近的一些研究表明，熔池邊界是有利于斷裂起始或擴(kuò)展的薄弱區(qū)域，拉伸試驗樣品顯示出各向異性強(qiáng)度和延展性。例如，斷裂表面表現(xiàn)出類似激光掃描的特征，并且鋁基體之間的Si開裂或脫聚優(yōu)先發(fā)生在熔池邊界。然而，Delahaye等人的其他研究，報道 LPBF AlSi10Mg 的斷裂發(fā)生在HAZ，而不是熔池邊界。但該研究的樣品延展性差（~1.8%），不足以支持其延展性斷裂的聲明。迄今為止還沒有論文系統(tǒng)地分析 LPBF AlSi10Mg 中的微孔和裂紋形成。因此，缺乏對熔池邊界對斷裂行為的作用的基本理解LPBF AlSi10Mg。

在此背景下可以開展的研究問題有兩個：（1）首先，探索熔池邊界的密度如何影響 LPBF AlSi10Mg 的斷裂機(jī)制和拉伸延展性；（2）其次，探索微孔形核過程，熔池邊界區(qū)域的增長和連接。在這項工作的背景下，熔池邊界的密度是通過其面積分?jǐn)?shù)來估計的。

為了解決這些研究問題，多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程系提出了一種通過改變激光融化距離來調(diào)整 LPBF AlSi10Mg 延展性的方法，同時確保零件密度保持不變，并為通過原位拉伸測試和基于同步加速器的 X 射線顯微斷層掃描觀察熔池邊界，了解其斷裂機(jī)制提供了新的機(jī)會。
LPBF 增材制造AlSi10Mg 的斷裂主要?dú)w因于熔池邊界處微孔和裂紋的形成和擴(kuò)展，這是由熔池內(nèi)部和熔池邊界之間的應(yīng)變不相容引起的。因此，目前的工作表明，LPBF AlSi10Mg 的延展性可以通過降低熔池邊界的密度來提高。

 圖文解析

圖 1 (a)使用兩種不同間距（分別為80 μm 和120 μm）的LPBF過程示意圖。(b) 光學(xué)顯微鏡 (OM) 圖像和 (c) 掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像顯示樣品 A 的微觀結(jié)構(gòu)。(d) 樣品 A 和 B 的熔池邊界的面積分?jǐn)?shù)。(e) OM 圖像和 ( f) 顯示樣品 B 微觀結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像。

圖 2 (a) BSE 圖像顯示樣品 B 中壓痕后的區(qū)域。(b) 局部納米硬度( H )，(c)彈性模量( E )，(d) 在 (a) 中顯示的區(qū)域中H與 E 的值。(e) (b) 的 K 均值聚類分析。

圖 3 (a) 樣品 A 和 B 的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線（作為真實應(yīng)變函數(shù)的加工硬化率顯示在插圖中）。應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的點 1、2、3 和 4 分別對應(yīng)于 (d) 中所示的應(yīng)變水平。(b) 樣品 A 和 B 在極限強(qiáng)度和伸長率方面與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的比較。(c)進(jìn)行原位SEM拉伸測試的區(qū)域的 SEM 圖像。加載方向沿 X’ 軸，與構(gòu)建方向平行。熔池邊界是兩條白色虛線之間的區(qū)域。(d) 拉伸試驗期間沿 X’ 和 Y’ 軸的 DIC 局部應(yīng)變圖，對應(yīng)于 (a) 中的點。圖 4 顯示了熔池邊界處的應(yīng)變濃度。

圖 4 (a) 和 (b) 樣品 A 斷裂區(qū)域附近表面的 SEM 圖像，顯示熔池邊界中的微孔形核和裂紋擴(kuò)展。(c) 和 (d) 樣品 B 斷裂附近表面的 SEM 圖像，顯示微孔成核，裂紋比樣品 A 少。微孔用黃色箭頭表示。

圖 5 樣品 A 和 B 的基于同步加速器的 X 射線顯微斷層掃描。顯微斷層掃描區(qū)域包括來自圖 S1 中所示的拉伸測試試樣的標(biāo)距長度的中心部分（補(bǔ)充信息）。樣品 A 中多孔缺陷的分布：(a) 拉伸試驗前，(b) 拉伸試驗后的一半斷面，(c) 試驗后樣品 A 中的縱橫比與多孔缺陷頻率的關(guān)系。樣品B中的多孔缺陷：(d) 拉伸試驗前，(e) 拉伸試驗后的一半斷裂表面，以及 (f) 后試驗樣品 B 中的縱橫比與多孔缺陷頻率的比較。(c) 和 (f) 表明樣品 A 中存在更多裂紋（縱橫比較低的缺陷）。

(責(zé)任編輯：admin)

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