《Scripta Materialia》：提升增材制造AlSi10Mg合金拉伸塑性！

激光选区熔化(LPBF) 使用激光束熔化粉末并构建三维近净形零件。LPBF AlSi10Mg因其高比强度、出色的耐腐蚀性使其受到特别关注并广泛应用在汽车和航空航天工业中。与铸件相比，LPBF AlSi10Mg强度更高，但是相对较差的延展性阻碍了LPBF AlSi10Mg 进一步的开发应用。LPBF AlSi10Mg熔池内部及边界呈现异质的微观结构特征，但是这种异质结构对LPBF AlSi10Mg 的断裂机制和拉伸延展性产生何种影响，目前还缺乏系统性和深入的分析。

目前主要存在两个问题：(1)熔池边界密度如何影响 LPBF AlSi10Mg 的断裂机制和拉伸延展性；(2)材料拉伸过程中内部微孔形核，生长和微裂纹扩展过程。该文章提出了在确保零件致密度前提下，通过改变扫描间距来调整 LPBF AlSi10Mg 延展性的方法，并且采用了原位拉伸实验和同步辐射X射线断层显微成像的研究方法。相关工作成果发表在《Scripta Materialia》上，第一作者为多伦多大学材料系博士生陈昊秀，通讯作者为邹宇教授，合作者为多伦多滑铁卢大学机械系的Sagar Patel博士后和Mihaela Vlasea教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114954

图 1(a)使用两种不同扫描间距的 LPBF 工艺示意图。样品 A的(b)OM 图像和 (c) SEM 图像。(d) 样品A和B的熔池边界面积分数。样品 B的(e)OM图像和 (f)SEM图像。

从样品 A 到样品 B，扫描间距由80 增大到120 ，熔池边界面积分数由5.48%降低为4.48% (图 1(a,d))。熔池内部是小晶胞单元；熔池边界为大晶胞单元；熔池边界外围是热影响区(HAZ) (图 1(c,f))。虽然样品A, B 熔池边界密度不同，其熔池内外晶胞大小一致 (熔池内均约0.47 μm ，熔池边界均约1.00 μm) 。

图 2(a) 样品 B 纳米压痕区域。(b) 局部纳米硬度 (H)，(c) 弹性模量 (E)，(d) H/E值。(e) 结果(b) 的 K-means聚类分析图。

局部“机械性能云图”揭示了由于异质微观结构导致的局部力学性能不均匀性。与熔池内部相比，熔池边界纳米硬度值及 H/E 值（弹性变形极限）较低。根据 K-means 聚类分析，熔池内部和熔池边界的 H 值分别为 2.14 ± 0.09 GPa 和 1.82 ± 0.10 GPa。

图 3 (a) 样品 A 和 B 的工程应力-应变曲线（加工硬化率显示在插图中）。应力-应变曲线中的点 1、2、3 和 4 与(d)图相对应。(b) 力学性能与文献数据相比较。(c) 原位拉伸测试区域图。应力方向沿 X' 轴，与沉积方向平行。熔池边界为白色虚线之间区域。(d) 拉伸过程中，沿 X' 和 Y'方向的 DIC 局部应变图。图④显示了熔池边界应变集中现象。

相较于样品 A(断裂伸长率7.2 ± 0. 1%) ，样品 B 的拉伸延展性 (9.8 ± 0. 1%) 大幅提高。为了揭示熔池内部和熔池边界对整体拉伸变形行为的贡献，进行了原位拉伸试验。图 3(c)显示了进行研究的区域。图 3(d)为平行和垂直于拉伸方向拉伸过程局部应变演变图。将要发生断裂(图(d)④)时，熔池边界区域产生应变集中。

图 4. (a) 和 (b) 样品 A 拉伸表面包含断裂处 SEM 图像，显示了熔池边界处的微孔形核和裂纹扩展。(c) 和 (d) 样品 B 拉伸表面包含断裂处SEM 图像，显示微孔成核，以及较少的裂纹。微孔用黄色箭头表示。

断后 SEM 图像显示，微孔优先沿着熔池边界形核和扩展。与熔池边界较少的试样 B 相比，试样 A 沿熔池边界出现更严重的开裂行为(图 4(a，b))。

图 5. 样品 A 和 B 的同步辐射 X 射线显微断层成像。成像区域包括断口及附近区域。样品 A (a) 拉伸试验前，(b) 拉伸试验后内部微孔及裂纹分布。(c) 拉伸后样品 A内部缺陷（包含微孔及裂纹）长宽比分布图。样品 B (d) 拉伸试验前，(e) 拉伸试验后内部微孔及裂纹分布。(f) 拉伸后样品 B 中内部缺陷（包含微孔及裂纹）长宽比分布图。(c) 和 (f) 表明样品 A 中存在更多裂纹（长宽比较低的缺陷）。

同步辐射 X 射线显微断层成像结果显示，拉伸试验前，样品 A 和 B(致密度分别为 99.93% 和 99.92%)内部存在少量气孔(图 5(a，d))。拉伸试验后，断后样品 A 几乎包含同量裂纹和微孔，而样品 B 内部主要为微孔(图 5(c，f))；且断后样品 A 内部裂纹数量及密度更多。

与样品 A 相比，样品 B 的延展性增加可归因于其熔池边界的密度较低，因为在拉伸过程中这些位置容易发生微孔的萌生生长和裂纹的形成。较低的 H/E 值表明熔池边界首先发生塑性屈服，因此，相对较软的熔池边界和较硬的熔池内部在拉伸试验过程中会产生应变不均匀分布 (图 3(d)) ，促进微孔或裂纹沿熔池边界的成核和扩展(图4) 。一方面，与熔池内部相比，熔池边界由于单位体积内相间的界面较少，会导致相对更不均匀的应力分布。另一方面，对于由软熔池边界包围硬熔池内部的LPBF AlSi10Mg来说， 样品 A 较高的熔池边界密度会引入更高的几何必要位错，因而导致应力集中，产生裂纹 (图 5(b，c)) 。样品 B熔池边界应力集中不明显，微孔生长连接，延迟了裂纹扩展 (图 5(e，f))。

该课题组近期增材制造方面发表论文及连接：

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*感谢论文作者团队对本文的大力支持。