封面 | 结构决定性能——激光选区熔化引发的组织、性能各向异性

封面解读

封面展现了激光选区熔化铝合金的成形过程及其晶粒形态的各向异性特征。

激光选区熔化技术利用高能激光束将铝合金粉末逐层熔合、凝固。在凝固前沿，热量沿垂直于固/液界面的不同方位从液相传入固相，形成了垂直于界面的温度梯度，促使熔池内的液态金属在凝固过程中沿温度梯度方向形成柱状晶，从而表现出晶粒形态的各向异性。微观组织的各向异性通常会对材料的物理、化学和力学性能产生影响，是材料研究中的一项重要内容。

研究背景

激光选区熔化是近年来快速发展的一种金属材料增材制造技术。由于其逐层重熔和凝固的成形工艺特点，激光选区熔化制备的合金组织容易呈现明显的各向异性，主要表现为晶粒、熔池的形态在不同方向存在差异（图1）。

图1 激光选区熔化AlSi10Mg合金金相组织和EBSD形貌三维视图

合金组织的各向异性会对其力学性能产生影响。因此，研究并掌握组织各向异性对激光选区熔化AlSi10Mg合金断裂韧性的影响规律，有助于该技术和材料的应用。

创新研究

中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心采用激光选区熔化技术制备了AlSi10Mg合金试件。利用光学显微镜、扫描电子显微镜等观察和分析退火态合金的显微组织；利用万能材料试验机和疲劳试验机测试退火态合金的室温拉伸性能和平面应变断裂韧度K_IC（图2）；利用测试过程中的载荷-裂纹开口位移曲线计算不同开口方向紧凑拉伸试样的 J 积分和裂纹尖端张开位移值（crack tip opening displacement，CTOD）。

图2  拉伸试样和紧凑拉伸试样取样示意图

图3为不同开口方向紧凑拉伸试样的载荷与裂纹开口位移曲线。数据显示，不同开口方向紧凑拉伸试样的最大载荷存在差异，其中 X-Y、Y-Z、Z-Y 试样的最大载荷平均值分别约为47.9 kN、47.0 kN、42.7 kN。可见X 和 Y 方向组织承受裂纹扩展的最大载荷基本相当，均略高于 Z 方向的组织。

图3 不同开口方向紧凑拉伸试样的载荷-裂纹开口位移曲线。（a）X-Y；（b）Y-Z；（c）Z-Y

利用 J 积分和CTOD值对不同开口方向试样的断裂韧性进行对比，结果显示：退火态合金试样的断裂韧性存在各向异性。主要表现为 X-Y 和 Y-Z 开口方向试样的 J 积分值均达到430 kJ/m²左右，而开口方向为 Z-Y 的试样仅为250 kJ/m²。

由此说明，当裂纹表面平行于成形方向时，裂纹扩展所需能量基本相当；而裂纹表面垂直于成形方向时，裂纹扩展所需要的能量明显降低。

同样地，开口方向为 X-Y 和 Y-Z 试样的CTOD值相同，均约为0.8 mm；而开口方向为 Z-Y 试样的CTOD值仅为0.47 mm。

可见，材料萌生裂纹后，在载荷的作用下裂纹尖端附近的塑性区导致裂纹尖端表面张开；当裂纹表面平行于成形方向时，裂纹尖端表面张开位移达到0.8 mm后裂纹发生失稳扩展；而裂纹表面垂直于成形方向时，裂纹发生失稳扩展对应的裂纹尖端表面张开位移临界值仅为0.47 mm。

结合显微组织分析认为，X-Y 和Y-Z 开口方向试样的裂纹表面均平行于成形方向，对应的组织为熔池逐层堆叠的形貌；而Z-Y开口方向试样的裂纹表面垂直于成形方向，对应的组织为熔池相互交织的形貌。

由于熔池边界附近的组织相对粗大，小角度晶界比例较高，故 Z-Y 开口方向试样的裂纹倾向于沿熔池边界扩展，导致断裂韧性较低。而熔池内部组织相对细小，大角度晶界比例较高，使得 X-Y 与 Y-Z 开口方向试样在裂纹穿过熔池内部扩展时表现出的断裂韧性更好。

结论

研究结果表明，激光选区熔化增材制造技术在复杂形状零部件的近净成形方面与传统成形技术相比具有显著优势，但仍存在组织/性能的各向异性、残余应力较大和材料/后处理体系研究不完整的问题，仍需加强合金材料开发和完善后处理技术研究，从而满足不同领域和不同性能的需要。

中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心目前针对航空发动机、飞机、燃气轮机、火箭发动机等复杂结构、承力结构、新型材料的增材制造成形技术需求，开展了大量增材制造基础和应用技术研究。研究领域覆盖整个增材制造产业链环节，包括材料设计及制备、结构优化设计、成形工艺研究、热处理、热等静压、表面工程、考核评价等。

目前开展了高温合金、高性能铝合金、高性能钛合金、高性能不锈钢、TiAl金属间化合物等粉末和丝材的研制和生产开发；同时针对以上材料及其复杂结构，开展了原材料优化设计及制备、增材制造工艺及结构适应性基础研究、缺陷检测和评级、力学行为影响机制及基于适航的过程控制、损伤失效行为及寿命预测、考核验证等研究工作，积累了大量的研究成果。

撰稿| 唐鹏钧、陈冰清

编辑| 沈灵灵

★

推荐阅读

★

END

报道激光物理、技术及应用最新进展

邀请主编、作者、编辑以及您来评论

如需转载   请直接留言

商务合作请联系

朱先生 13918384218（微信手机同号）

扫描

微信矩阵

了解更多精彩

中国激光杂志社

爱光学

光电汇