西工大林鑫教授頂刊丨基于原位高速重熔的激光增材制造鋁合金強-塑性突破！

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

近期,，題目為“Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting” 的研究論文發(fā)表在Materials Research Letters上,。論文第一作者為西北工業(yè)大學材料學院博士生史碩晴，通訊作者為林鑫教授,、趙宇凡教授以及楊海歐副研究員,，第一通訊單位為西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室。

增材制造技術的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)帶來了深刻變革,，但目前鋁合金的制備面臨兩大困境：一方面,，高強鋁合金的增材制造可加工性較差；另一方面,，鑄造鋁合金雖然成形性優(yōu)異,，但難以突破中-高強度性能范圍，嚴重制約了其在極端服役環(huán)境下的應用,。為此,，研究者嘗試各種方法來解決這些難題：施加磁場/超聲場等輔助場；采用多種熱處理制度來調(diào)控微觀組織,；甚至添加昂貴的稀土元素來達到晶粒等軸化以及析出強化相的目的,。雖然這些努力使得組織-性能得到一定改善,，但研發(fā)成本較高,。因此，建立一種工藝簡單,、可靠性強,、成本低廉的方法來提升綜合力學性能，成為具有挑戰(zhàn)的科研議題,。

近期,，西北工業(yè)大學林鑫教授團隊在深刻理解快速凝固理論的基礎上，充分發(fā)揮激光增材制造的極端工藝條件,，以最為常見且價格低廉的AlSi10Mg合金為對象,，開發(fā)出一種原位高速重熔策略（HSSR），使得晶粒發(fā)生顯著的柱狀晶→等軸晶轉(zhuǎn)變（CET），同時獲得更加細化的晶內(nèi)胞狀亞結(jié)構(gòu),，提高了Al基體中納米析出相的體積分數(shù),，實現(xiàn)了增材制造鋁合金的強-塑性突破。制備出的鋁合金試樣具有優(yōu)異的表面光潔度以及內(nèi)部冶金質(zhì)量,；屈服強度為279.5 ± 2.3 MPa,，抗拉強度為496.1 ± 5.8 MPa，斷裂延伸率為21.4 ± 0.9%,，綜合拉伸性能在目前已知的所有增材制造鋁硅合金及復材中表現(xiàn)最為優(yōu)異,。相關工作以題為“Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting” 的研究論文發(fā)表在Materials Research Letters上。論文第一作者為西北工業(yè)大學材料學院博士生史碩晴,，通訊作者為林鑫教授,、趙宇凡教授以及楊海歐副研究員，第一通訊單位為西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室,。

在本工作中,，對常規(guī)激光選區(qū)熔化（LPBF）試樣以及高速重熔策略（HSSR）試樣進行了對比研究。通過微觀組織分析可知（圖1）,，非重熔LPBF試樣具有強烈的 <100> 織構(gòu),，Al基體內(nèi)部析出相不顯著。相比之下,，HSSR試樣的熔池區(qū)域邊界不明顯,；等軸晶比例顯著提升，呈現(xiàn)出柱狀晶-等軸晶混合形態(tài),，并且GND更多的分布在熔池內(nèi)部,。HSSR策略后，晶粒的 [001] 取向被削弱,，各向異性程度顯著降低,；晶內(nèi)胞狀亞結(jié)構(gòu)的等軸化趨勢加強；且Al基體內(nèi)部彌散分布大量的納米析出顆粒,。通過分布直方圖統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,，HSSR策略促進了晶粒以及晶內(nèi)胞狀亞結(jié)構(gòu)的細化和等軸化。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費獲取海量增材資料,，聚焦增材制造研究與工程應用！

▲圖1 沉積試樣的微觀組織,。（a-a2）（i-i2）帶對比度,、反極圖和GND分布圖；（b）（j）分別對應（a1）（i1）的極圖,；（c-d）（k-l）晶粒等效直徑和長寬比,；（e-f）（m-n）胞狀亞結(jié)構(gòu)的SEM圖像以及長寬比分布圖；（g-h）（o-p）Al基體內(nèi)部析出相的SEM圖像以及尺寸分布圖。

對兩組試樣進行了室溫拉伸（圖2）,。與常規(guī)的LPBF試樣相比,，HSSR試樣的屈服強度、抗拉強度和斷裂延伸率分別提升了27.3%,，22.5%和103.8%,。對比圖中列舉了增材制造外加輔助場、后續(xù)熱處理,、常規(guī)重熔,、添加強化顆粒等不同工藝條件下AlSi10Mg合金，以及添加稀土元素改性的高強鋁合金的拉伸性能,�,？芍�，利用HSSR策略,，合金的斷裂強度和延伸率同時顯著提升,，在目前已知數(shù)據(jù)中表現(xiàn)最為突出。通過對加工硬化指數(shù)的進一步分析可知,，HSSR策略試樣具有顯著的加工硬化能力,，且隨著拉伸應變的不斷提升，加工硬化指數(shù)逐漸升高,，從而可以獲得優(yōu)異的拉伸強度,。

▲圖2 軸向拉伸性能。（a）典型工程應力-應變曲線,；（b）軸向拉伸強度-斷裂延伸率性能對比圖,；（c）真應力/加工硬化率-真應變曲線；（d）不同應變階段下的加工硬化指數(shù),。

本研究創(chuàng)造性提出的原位高速重熔策略（HSSR）,，是一種簡單易行、穩(wěn)定可靠,、成本低廉的調(diào)控手段,。HSSR策略促進了晶粒以及晶內(nèi)胞狀亞結(jié)構(gòu)的細化和等軸化。通過較硬等軸晶和較軟柱狀晶間協(xié)調(diào)變形,，有效緩解了熔池邊界的應變局部化,，延遲了脫粘,，提升了試樣延展性,；同時晶粒及晶內(nèi)胞狀亞結(jié)構(gòu)的細化、以及Al基體內(nèi)納米析出相比例提升,，有效改善了加工硬化能力,，使拉伸強度提升。這一成果不僅使得增材制造鋁硅合金獲得了前所未有的拉伸性能，還有望為增材制造其他類型合金的性能提升開辟一條新的技術途徑,，具有巨大工程應用潛力,。