激光選區熔化引發的組織、性能各向異性

　　研究背景

　　激光選區熔化是近年來快速發展的一種金屬材料增材制造技術。由于其逐層重熔和凝固的成形工藝特點，激光選區熔化制備的合金組織容易呈現明顯的各向異性，主要表現為晶粒、熔池形態在不同方向存在差異(如圖1)。

　　圖1 激光選區熔化AlSi10Mg合金金相組織和EBSD形貌三維視圖

　　合金組織的各向異性會對其力學性能產生影響。因此，研究掌握組織各向異性對激光選區熔化AlSi10Mg合金斷裂韌性的影響規律，有助于該技術和材料的應用。

　　創新研究

　　中國航發北京航空材料研究院3D打印研究與工程技術中心采用激光選區熔化技術制備了AlSi10Mg合金試件。利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等觀察和分析退火態合金的顯微組織;利用萬能材料試驗機和疲勞試驗機測試退火態合金的室溫拉伸性能和平面應變斷裂韌度KIC(圖2);利用測試過程中的載荷-裂紋開口位移曲線計算不同開口方向緊湊拉伸試樣的J積分和裂紋張開位移值(crack tip opening displacement，CTOD)。

　　圖2 拉伸試樣和緊湊拉伸試樣取樣示意圖

　　圖3為不同開口方向緊湊拉伸試樣的載荷與裂紋開口位移曲線。數據顯示，不同開口方向緊湊拉伸試樣的最大載荷存在差異，其中X-Y、Y-Z、Z-Y試樣的最大載荷平均值分別約為47.9 kN、47.0 kN、42.7 kN。可見X和Y方向組織承受裂紋擴展的最大載荷基本相當，均略高于Z方向的組織。

　　圖3 不同開口方向緊湊拉伸試樣的載荷-裂紋開口位移曲線。(a)X-Y;(b)Y-Z;(c)Z-Y

　　利用J 積分和CTOD 值對不同開口方向試樣的斷裂韌性進行對比，結果顯示：退火態合金試樣的斷裂韌性存在各向異性。主要表現為X-Y 和Y-Z 開口方向試樣的J積分值均達到430 kJ/m2左右，而開口方向為Z-Y 的試樣僅為250 kJ/m2。

　　由此說明，當裂紋表面平行于成形方向時，裂紋擴展所需能量基本相當;而裂紋表面垂直于成形方向時，裂紋擴展所需要的能量明顯降低。

　　同樣地，開口方向為X-Y 和Y-Z 試樣的CTOD 值相同，均約為0.8 mm;而開口方向為Z-Y 試樣的CTOD 值僅為0.47 mm。

　　可見，材料萌生裂紋后，在載荷的作用下裂紋附近的塑性區導致裂紋表面張開;當裂紋表面平行于成形方向時，裂紋表面張開位移達到0.8 mm后裂紋發生失穩擴展;而裂紋表面垂直于成形方向時，裂紋發生失穩擴展對應的裂紋表面張開位移臨界值僅為0.47 mm。

　　結合顯微組織分析認為，X-Y 和Y-Z 開口方向試樣的裂紋表面均平行于成形方向，對應的組織為熔池逐層堆疊的形貌;而Z-Y 開口方向試樣的裂紋表面垂直于成形方向，對應的組織為熔池相互交織的形貌。

　　由于熔池邊界附近的組織相對粗大，小角度晶界比例較高，故Z-Y 開口方向試樣的裂紋傾向于沿熔池邊界擴展，導致斷裂韌性較低。而熔池內部組織相對細小，大角度晶界比例較高，使得X-Y 與Y-Z 開口方向試樣在裂紋穿過熔池內部擴展時表現出的斷裂韌性更好。

　　研究結果表明

      激光選區熔化增材制造技術在復雜形狀零部件的近凈成形方面與傳統成形技術相比具有顯著優勢，但仍存在組織/性能的各向異性、殘余應力較大和材料/后處理體系研究不完整的問題，仍需加強合金材料開發和完善后處理技術研究，從而滿足不同領域和不同性能的需要。

參考文獻： 中國光學期刊網

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