激光選區熔化(LPBF) 使用激光束熔化粉末並構建三維近凈形零件。LPBF AlSi10Mg因其高比強度、出色的耐腐蝕性使其受到特別關註並廣泛應用在汽車和航空航天工業中。與鑄件相比，LPBF AlSi10Mg強度更高，但是相對較差的延展性阻礙瞭LPBF AlSi10Mg 進一步的開發應用。LPBF AlSi10Mg熔池內部及邊界呈現異質的微觀結構特征，但是這種異質結構對LPBF AlSi10Mg 的斷裂機制和拉伸延展性產生何種影響，目前還缺乏系統性和深入的分析。
目前主要存在兩個問題：(1)熔池邊界密度如何影響 LPBF AlSi10Mg 的斷裂機制和拉伸延展性；(2)材料拉伸過程中內部微孔形核，生長和微裂紋擴展過程。該文章提出瞭在確保零件致密度前提下，通過改變掃描間距來調整 LPBF AlSi10Mg 延展性的方法，並且采用瞭原位拉伸實驗和同步輻射X射線斷層顯微成像的研究方法。相關工作成果發表在《Scripta Materialia》上，第一作者為多倫多大學材料系博士生陳昊秀，通訊作者為鄒宇教授，合作者為多倫多滑鐵盧大學機械系的Sagar Patel博士後和Mihaela Vlasea教授。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114954
圖 1(a)使用兩種不同掃描間距的 LPBF 工藝示意圖。樣品 A的(b)OM 圖像和 (c) SEM 圖像。(d) 樣品A和B的熔池邊界面積分數。樣品 B的(e)OM圖像和 (f)SEM圖像。
從樣品 A 到樣品 B，掃描間距由80 增大到120 ，熔池邊界面積分數由5.48%降低為4.48% (圖 1(a,d))。熔池內部是小晶胞單元；熔池邊界為大晶胞單元；熔池邊界外圍是熱影響區(HAZ) (圖 1(c,f))。雖然樣品A, B 熔池邊界密度不同，其熔池內外晶胞大小一致 (熔池內均約0.47 μm ，熔池邊界均約1.00 μm) 。
圖 2(a) 樣品 B 納米壓痕區域。(b) 局部納米硬度 (H)，(c) 彈性模量 (E)，(d) H/E值。(e) 結果(b) 的 K-means聚類分析圖。
局部“機械性能雲圖”揭示瞭由於異質微觀結構導致的局部力學性能不均勻性。與熔池內部相比，熔池邊界納米硬度值及 H/E 值（彈性變形極限）較低。根據 K-means 聚類分析，熔池內部和熔池邊界的 H 值分別為 2.14 ± 0.09 GPa 和 1.82 ± 0.10 GPa。
圖 3 (a) 樣品 A 和 B 的工程應力-應變曲線（加工硬化率顯示在插圖中）。應力-應變曲線中的點 1、2、3 和 4 與(d)圖相對應。(b) 力學性能與文獻數據相比較。(c) 原位拉伸測試區域圖。應力方向沿 X' 軸，與沉積方向平行。熔池邊界為白色虛線之間區域。(d) 拉伸過程中，沿 X' 和 Y'方向的 DIC 局部應變圖。圖④顯示瞭熔池邊界應變集中現象。
相較於樣品 A(斷裂伸長率7.2 ± 0. 1%) ，樣品 B 的拉伸延展性 (9.8 ± 0. 1%) 大幅提高。為瞭揭示熔池內部和熔池邊界對整體拉伸變形行為的貢獻，進行瞭原位拉伸試驗。圖 3(c)顯示瞭進行研究的區域。圖 3(d)為平行和垂直於拉伸方向拉伸過程局部應變演變圖。將要發生斷裂(圖(d)④)時，熔池邊界區域產生應變集中。
圖 4. (a) 和 (b) 樣品 A 拉伸表面包含斷裂處 SEM 圖像，顯示瞭熔池邊界處的微孔形核和裂紋擴展。(c) 和 (d) 樣品 B 拉伸表面包含斷裂處SEM 圖像，顯示微孔成核，以及較少的裂紋。微孔用黃色箭頭表示。
斷後 SEM 圖像顯示，微孔優先沿著熔池邊界形核和擴展。與熔池邊界較少的試樣 B 相比，試樣 A 沿熔池邊界出現更嚴重的開裂行為(圖 4(a，b))。
圖 5. 樣品 A 和 B 的同步輻射 X 射線顯微斷層成像。成像區域包括斷口及附近區域。樣品 A (a) 拉伸試驗前，(b) 拉伸試驗後內部微孔及裂紋分佈。(c) 拉伸後樣品 A內部缺陷（包含微孔及裂紋）長寬比分佈圖。樣品 B (d) 拉伸試驗前，(e) 拉伸試驗後內部微孔及裂紋分佈。(f) 拉伸後樣品 B 中內部缺陷（包含微孔及裂紋）長寬比分佈圖。(c) 和 (f) 表明樣品 A 中存在更多裂紋（長寬比較低的缺陷）。
同步輻射 X 射線顯微斷層成像結果顯示，拉伸試驗前，樣品 A 和 B(致密度分別為 99.93% 和 99.92%)內部存在少量氣孔(圖 5(a，d))。拉伸試驗後，斷後樣品 A 幾乎包含同量裂紋和微孔，而樣品 B 內部主要為微孔(圖 5(c，f))；且斷後樣品 A 內部裂紋數量及密度更多。
與樣品 A 相比，樣品 B 的延展性增加可歸因於其熔池邊界的密度較低，因為在拉伸過程中這些位置容易發生微孔的萌生生長和裂紋的形成。較低的 H/E 值表明熔池邊界首先發生塑性屈服，因此，相對較軟的熔池邊界和較硬的熔池內部在拉伸試驗過程中會產生應變不均勻分佈 (圖 3(d)) ，促進微孔或裂紋沿熔池邊界的成核和擴展(圖4) 。一方面，與熔池內部相比，熔池邊界由於單位體積內相間的界面較少，會導致相對更不均勻的應力分佈。另一方面，對於由軟熔池邊界包圍硬熔池內部的LPBF AlSi10Mg來說， 樣品 A 較高的熔池邊界密度會引入更高的幾何必要位錯，因而導致應力集中，產生裂紋 (圖 5(b，c)) 。樣品 B熔池邊界應力集中不明顯，微孔生長連接，延遲瞭裂紋擴展 (圖 5(e，f))。
該課題組近期增材制造方面發表論文及連接：
- 1. Z. Liu, R. Li, D. Chen, Y. Sun, B. He, and Y. Zou* “Enhanced tensile ductility of an additively manufactured near-α titanium alloy by microscale shear banding" International Journal of Plasticity (2022) https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103387
- 2.W Xing, X Chu, T Lyu, CG Lee, Y Zou*, Y Rong “Using Machine Learning to Classify Images of Melt Pool Surfaces in a Selective Laser Melting Process” Journal of Manufacturing Processes (2022) https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.12.030
- 3. Y Zou* “Cold Spray Additive Manufacturing: Microstructure Evolution and Bonding Features” (invited review), Accounts of Materials Research (2021), https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00138
- 4. J Zhang, M Habibnejad, Z Liu, T Lyu, Q Sun, Y Zou* “A computer vision approach to evaluate powder flowability for metal additive manufacturing” Integrating Materials and Manufacturing Innovation (2021), https://doi.org/10.1007/s40192-021-00226-3
- 5. W Xing, T Lyu, X Chu, Y Rong, C Lee, Q Sun, Y Zou*“Recognition and classification of melt tracks in selective laser melting using deep neural network” Journal of Manufacturing Processes (2021), https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.06.076
- 6.H Chen, Z Liu, X Cheng, Yu Zou* “Laser deposition of graded γ-TiAl/Ti2AlNb alloys: Microstructure and nanomechanical characterization of the transition zone” Journal of Alloys and Compounds (2021), https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159946
- 7. Z Liu, J Zhang, B He, and Y Zou*“High-speed nanoindentation mapping of a near-alpha titanium alloy made by additive manufacturing” Journal of Materials Research (2021), https://doi.org/10.1557/s43578-021-00204-7
- 8. Z Liu, B He, T Lyu and Y Zou* “A review on additive manufacturing of titanium alloys for aerospace applications: Directed energy deposition and beyond Ti-6Al-4V” JOM (2021) https://doi.org/10.1007/s11837-021-04670-6
- 9.H Sun, X Chu, Z Liu, A Gisele, Y Zou* “Selective Laser Melting of Maraging Steels Using Recycled Powders: A Comprehensive Microstructural and Mechanical Investigation”Metallurgical and Materials Transactions A, (2021) https://doi.org/10.1007/s11661-021-06180-1
- 10.H Sun, X Chu, C Luo, H Chen, Z Liu, Y Zhang, Y Zou* “Selective Laser Melting for Joining Dissimilar Materials: Investigations of Interfacial Characteristics and In Situ Alloying” Metallurgical and Materials Transactions A, (2021) https://doi.org/10.1007/s11661-021-06178-9
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。