激光增材制造技術(shù)的出現(xiàn)使得快速凝固和大尺寸成形工藝有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，獲得了傳統(tǒng)成形工藝無(wú)法得到的微觀組織和力學(xué)構(gòu)件。近日，西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東、林鑫教授團(tuán)隊(duì)使用激光立體成形技術(shù)成功制備了高致密度塊狀A(yù)l-Si合金，并基于實(shí)驗(yàn)表征、數(shù)值模擬、理論模型等手段對(duì)工藝參數(shù)–凝固/熱循環(huán)條件–多尺度微觀組織–拉伸性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析和量化研究。本工作從成形條件入手，落筆于組織形成機(jī)理，深入揭示了工藝–組織–性能間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為精密調(diào)控及大規(guī)模制備Al-Si合金奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Investigations of the processing–structure–performance relationships of an additively manufactured AlSi10Mg alloy via directed energy deposition”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Journal of Alloys and Compounds上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169050

研究背景

隨著現(xiàn)代工業(yè)，尤其是航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)材料輕量化以及比強(qiáng)度的要求越來(lái)越高。鋁合金作為一種傳統(tǒng)的輕質(zhì)有色金屬材料，具有低密度、高強(qiáng)度和優(yōu)良的抗腐蝕性能，在輕合金的研究及使用中占有很大比例。在鑄造鋁合金中，又以Al-Si合金的制備和使用最為廣泛。提高冷卻速率可以有效改善強(qiáng)化相共晶硅的形貌和尺寸，然而，傳統(tǒng)的制造工藝手段，例如銅輥輪旋淬法、熔融紡絲法等只能制備薄帶、絲等尺寸很小的試樣，無(wú)法滿(mǎn)足力學(xué)構(gòu)件的使用要求。激光增材制造技術(shù) (LAM) 不僅可以獲得較高的冷卻速率，同時(shí)可以獲得高致密度、大尺寸、復(fù)雜精密構(gòu)件。盡管Al-Si合金在選區(qū)激光熔化技術(shù) (SLM/L-PBF) 中有著廣泛且深入的研究，但就高效率沉積大尺寸構(gòu)件而言，其與激光立體成形技術(shù) (L-DBD) 仍有較大的差距。

由于鋁合金質(zhì)輕、密度低，不易匯聚于熔池中；并且其熔點(diǎn)低，在高功率激光和往復(fù)熱循環(huán)作用下不易凝固，因此其在激光立體成形中的研究和應(yīng)用一直比較滯后。再者，激光增材制造工藝是快速凝固和往復(fù)熱循環(huán)的綜合過(guò)程，如何深入理解背后的作用機(jī)制，對(duì)于其微觀組織和力學(xué)性能的調(diào)控具有關(guān)鍵的指導(dǎo)作用。西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東、林鑫教授團(tuán)隊(duì)基于鋁合金的成形特性，在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，成功制備出高致密度塊狀A(yù)l-Si合金，并對(duì)微觀組織形成機(jī)理及其對(duì)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的分析，構(gòu)建出工藝–組織–性能量化關(guān)系研究框架。

實(shí)驗(yàn)裝備

西工大金屬高性能增材制造團(tuán)隊(duì)具有完備的激光立體成形裝備和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本工作在自主研發(fā)的LSF-VII型設(shè)備中完成。針對(duì)鋁合金成形特點(diǎn)，為了更好地將熔池中及熱循環(huán)產(chǎn)生的熱量及時(shí)導(dǎo)出，在沉積基板底部設(shè)計(jì)了循環(huán)水冷裝置，提高了Al-Si合金的沉積效率及成形質(zhì)量，制備了尺寸為70 × 70 × 15 mm3, 致密度為99.24%，微觀組織均一的塊狀試樣。?

圖1. 激光立體成形裝備及沉積試樣：(a) 西工大金屬高性能增材制造團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的LSF-VII型激光立體成形設(shè)備；(b) 成形艙室中沉積打印實(shí)物圖；(c) 基板底部強(qiáng)制水冷裝置示意圖；(d) 激光立體成形Al-Si塊狀合金及拉伸試樣實(shí)物圖

研究手段（1）—數(shù)值模擬

工作團(tuán)隊(duì)為了深入挖掘成形過(guò)程中熔池內(nèi)部的快速凝固機(jī)制以及沉積試樣中往復(fù)熱循環(huán)的影響，建立了基于Abaqus軟件的有限元模型。模型尺寸與實(shí)際打印試樣相等，為了兼顧計(jì)算效率和模擬精度，充分考慮了“三傳”影響，基于物理本質(zhì)及實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行了合理化假設(shè)，提取出了熔池內(nèi)部的凝固控制參數(shù)及沉積試樣熱循環(huán)曲線。

圖2. 有限元數(shù)值模擬：(a) 有限元模型尺寸及網(wǎng)格劃分；(b) 熔池溫度場(chǎng)提取截面；(c) 穩(wěn)態(tài)熔池示意圖；(d) 凝固控制參數(shù)的提?。簻囟忍荻菺和固–液界面移動(dòng)速率R；(e) 沉積試樣1、25、50、75層中心點(diǎn)經(jīng)歷的熱循環(huán)曲線

研究手段（2）—實(shí)驗(yàn)表征

激光立體成形Al-Si合金具有多尺度微觀組織，利用實(shí)驗(yàn)表征的手段可以充分揭示其組織特征和尺寸。從微米尺度的外延生長(zhǎng)的柱狀晶，到亞微米尺度的柱狀樹(shù)枝晶，到枝晶間網(wǎng)狀分布的共晶硅，再到枝晶干內(nèi)彌散分布的納米尺度析出硅顆粒。

圖3. 多尺度微觀組織：(a) 橫截面呈等軸狀的晶粒形態(tài)；(b) 縱截面呈柱狀的晶粒形態(tài)；(c) 光鏡下橫截面呈菱形的等軸狀樹(shù)枝晶；(d) 光鏡下縱截面呈外延生長(zhǎng)的柱狀樹(shù)枝晶；(e) SEM電鏡下枝晶周?chē)W(wǎng)狀分布的共晶硅相；(f) SEM電鏡下呈細(xì)晶區(qū)、粗晶區(qū)、熱影響區(qū)的熔池邊界；(g-i) 基體中析出硅顆粒

通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)軸向拉伸試驗(yàn)，獲得了沉積試樣橫向拉伸性能數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)鑄造等工藝手段，激光立體成形制備的AlSi10Mg合金具備更強(qiáng)的加工硬化能力，加工硬化指數(shù)可以達(dá)到0.2左右；且具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度187±1.5MPa；抗拉強(qiáng)度314±2.4MPa；斷裂延伸率7.4±0.5%），突破了傳統(tǒng)鑄造合金強(qiáng)–塑性無(wú)法兼顧的桎梏。

圖4. 沉積態(tài)試樣橫向拉伸性能：(a) 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線；(b) 真應(yīng)力應(yīng)變曲線；(c) 加工硬化率及加工硬化指數(shù)；(d) 綜合力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度和斷裂延伸率）對(duì)比圖（標(biāo)注引用參見(jiàn)本工作原文參考文獻(xiàn)）

理論模型（1）—非平衡凝固模型

激光立體成形熔池中的冷卻速率可以達(dá)到103–104 K/s，因此，工作團(tuán)隊(duì)根據(jù)仿真模擬中提取的熔池內(nèi)部凝固控制條件對(duì)凝固模型中的參數(shù)進(jìn)行修正，將經(jīng)典非平衡凝固理論應(yīng)用到此工藝參數(shù)范圍。一次枝晶間距 (PDAS) 和枝晶胞狀結(jié)構(gòu)尺寸 (d ?_cell) 可以分別被Kurz-Fisher模型以及Kurz-Giovanola-Trivedi (KGT) 模型預(yù)測(cè)。

圖5. 熔池內(nèi)凝固控制參數(shù)與典型微觀組織尺度間的聯(lián)系：(a) 從有限元模型中提取凝固控制參數(shù)G和R；(b) 凝固控制參數(shù)G和R從熔池底部到頂部的變化趨勢(shì)；(c) G·R和G/R從熔池底部到頂部的變化趨勢(shì)；(d) 應(yīng)用非平衡凝固理論Kurz-Fisher模型和KGT模型對(duì)一次枝晶間距和枝晶胞狀結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè)和比較

理論模型（2）—非等溫時(shí)效模型

激光增材制造是快速凝固和原位相變結(jié)合的過(guò)程，盡管Al-Si合金在增材制造中的研究和應(yīng)用很多，但關(guān)于其析出相形成和演化規(guī)律至今沒(méi)有厘清。工作團(tuán)隊(duì)基于數(shù)值模擬中熱循環(huán)曲線信息，結(jié)合非等溫時(shí)效Kampmann-Wagner numerical (KWN) 模型，充分考慮快速凝固導(dǎo)致的溶質(zhì)過(guò)飽和行為，描述出了析出顆粒的形成和尺寸演化規(guī)律。?

圖6. 析出顆粒的成形及演化過(guò)程，基體中溶質(zhì)元素主要為Si，伴有少量的Mg，在初始狀態(tài)下彌散分布于鋁基體中；往復(fù)熱循環(huán)使得熔池元素不斷地聚集和擴(kuò)散，通過(guò)KWN模型結(jié)合具體熱循環(huán)曲線，計(jì)算出穩(wěn)態(tài)析出顆粒尺寸：(a) 快速凝固導(dǎo)致溶質(zhì)過(guò)飽和固溶于基體中，形成沉淀析出的成分動(dòng)力；(b) 從沉積試樣TEM圖中可以看出，基體中的Si元素幾乎全部聚集在析出顆粒中，而基體中Mg元素含量變化不大；(c) 將熱循環(huán)曲線數(shù)據(jù)帶入KMN非等溫時(shí)效模型中進(jìn)行迭代，計(jì)算出穩(wěn)態(tài)析出顆粒的臨界和最終尺寸，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合良好?

圖7. 激光增材制造Al-Si合金工藝條件–成形控制參數(shù)–典型微觀組織尺寸–拉伸力學(xué)性能量化關(guān)系研究框架

總結(jié)

工作團(tuán)隊(duì)以激光立體成形Al-Si合金為藍(lán)本，基于實(shí)驗(yàn)表征、數(shù)值模擬、理論模型等手段對(duì)凝固–相變微觀組織形成機(jī)理進(jìn)行了充分的揭示，從而建立起了工藝條件–成形控制參數(shù)–典型微觀組織尺寸–拉伸力學(xué)性能間的量化關(guān)系模型。此研究框架不僅為激光立體成形Al-Si合金的精密調(diào)控和大尺寸成形提供了實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，還為類(lèi)似合金(Al-Cu合金、Al-Mg合金、高溫合金、不銹鋼合金)的制備和研究提供了指導(dǎo)思路。

項(xiàng)目支撐

本工作由西北工業(yè)大學(xué)林鑫教授主持的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光增材制造控形控性研究”（2016YFB1100100）支持。

基于本項(xiàng)目還開(kāi)展了AlMgScZr，AlCu，AlMn等高強(qiáng)鋁合金的研究：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.03.069.

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140606.

https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101260.

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.117860.

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.09.036.

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111305.

注：本文內(nèi)容由作者獨(dú)家授權(quán)。