LPBF AlSi10Mg的損傷部位和斷裂路徑:對比水平和垂直方向

供稿人:周航 魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

激光粉末床熔化(LPBF) AlSi10Mg的研究已經(jīng)持續(xù)了十多年,，研究人員對其特征組織,、缺陷,、機械強度和抗疲勞性能有了深入的認識。由于定向凝固下的外延生長,，(100)織構(gòu)在LPBF鋁合金中普遍沿成形方向存在,。此外，LPBF AlSi10Mg的微觀組織在熔池的不同區(qū)域呈現(xiàn)出不同的變化,。根據(jù)富硅共晶相的形態(tài)和大小,，熔池通常分為細熔池(FMP)區(qū)、粗熔池(CMP)區(qū)和熱影響區(qū)(HAZ),。一般認為CMP和HAZ形成熔池邊界,，與FMP區(qū)相比，其所占熔池體積要小得多,。LPBF AlSi10Mg具有各向異性的力學性能,，主要是由熔池取向引起的，而沿成型方向的織構(gòu)影響不大,。一般來說,，材料在沿成型方向加載(即垂直加載)時出現(xiàn)較低的破壞延伸率，由于其強度較低,，熔池邊界預(yù)計會出現(xiàn)應(yīng)變局部化,。垂直試件的抗拉強度與水平試件的抗拉強度基本相當，甚至更高,。垂直試樣的低斷裂伸長率被廣泛認為是應(yīng)變局部化和裂紋通過CMP或HAZ擴展的結(jié)果,。此外,，初始孔隙的形態(tài)也可能是垂直試樣較低斷裂應(yīng)變的部分原因。

圖1 熔池邊界的細熔池,、粗熔池和熱影響區(qū)(a),，細熔池在xz(b)和xy(c)平面的富硅共晶網(wǎng)絡(luò)二維形貌；富硅共晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(d)及其在不同切割平面上的二維表示(e) (f)

對熔池進行放大,，在二維SEM顯微圖中觀察到由α-Al和富硅共晶相組成的細小組織,。圖1a為跨熔池邊界的結(jié)構(gòu)，富硅共晶相在CMP和FMP中表現(xiàn)為一個相互連接的網(wǎng)絡(luò),，在HAZ中似乎被破壞,。封閉的鋁胞內(nèi)含有極其細小的富硅顆粒，直徑約為10 nm(圖1b和c),。CMP和HAZ構(gòu)成了熔池邊界,，厚度約為7 μm。在不同的截面上觀察到FMP,，它占據(jù)了材料的大部分體積,，是最具代表性的微觀結(jié)構(gòu)。在平行于成形方向的平面上,，富硅相沿外延晶粒長大呈拉長狀(圖1b),，而在垂直于成形方向的平面上，則呈等軸形態(tài)(圖1c),。

圖2 熔池邊界富硅共晶結(jié)構(gòu)的三維可視化

通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),，熱影響區(qū)中富硅共晶網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了明顯的斷裂。因此,，采用FIB/SEM層析成像技術(shù),，使用5 nm的體素尺寸，提供了微結(jié)構(gòu)的三維可視化,。在比較大的體積下,，可以觀察到CMP和FMP的相互連接很好，如圖2a-b所示,。但是,，當處理體積較小時，CMP和FMP的網(wǎng)絡(luò)分離,，如圖2c-d所示,。與二維觀測相比，在這樣的3D體塊中考慮互連時,，HAZ中的富Si相并沒有支離破碎到作為單獨的物體單獨挑選出來,。CMP和FMP區(qū)域在大尺度上呈現(xiàn)出一種聯(lián)系，但在小尺度上就會破裂,；熱影響區(qū)不能從3D微觀結(jié)構(gòu)中很好地定義,，它似乎是FMP的一部分,。綜上所述，富硅相呈現(xiàn)出比二維掃描電鏡所觀察到的更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),。由于富硅相的分支形態(tài),，熱影響區(qū)無法在二維視圖中準確表征。富硅相在FMP中連通度最高,，尺寸最�,。辉贖AZ中連通度最低,，尺寸最大,。

圖3 水平(a) (b)和垂直(c) (d)缺口試樣的FMP損傷特征水平(a) (b)和垂直(c) (d)缺口試樣的FMP損傷特征。

斷裂路徑的研究表明,，F(xiàn)MP在外部載荷作用下，無論熔池的方向如何,，都容易發(fā)生損傷,。當熔體池邊界垂直于拉伸載荷時，CMP是一個有利的斷裂路徑,。相應(yīng)的,，CMP裂紋尾跡區(qū)孔洞尺寸較大，F(xiàn)MP,、CMP和HAZ的損傷密度相似,。這可能是由于CMP的微觀結(jié)構(gòu)較粗，并且由于其強度較低,，裂紋更容易生長,。

參考文獻：
Zhao, L., et al., Unveiling damage sites and fracture path in laser powder bed fusion AlSi10Mg: Comparison between horizontal and vertical loading directions. Materials Science and Engineering: A, 2021. 807.