增材制造(AM)的发展深刻地改变了制造业，该技术已在食品、医药、汽车和电子元件等领域得到应用。特别是在航空航天领域，需要极轻和高强度(~ 500mpa)的部件，铝合金增材制造被认为是一个非常有前途的解决方案。 来自西北工业大学凝固加工国家重点实验室的Shuoqing Shi等人 发现铝硅合金有限的机械性能阻碍了它们在苛刻和极端条件下的应用。高强度铝合金的开裂倾向和稀土元素的高成本给铝合金在增材制造中的大规模应用带来了挑战。本研究提出的新型实用的高速扫描重熔技术使Al-Si合金具有显著比例的微细组织和纳米析出物，其强度(496.1±5.8 MPa)和塑性(21.4±0.9%)优于常规方法制备的铝合金的力学性能。这种原位微结构控制方法为在苛刻的工程环境下的应用开辟了新的途径。
图1 LPBF和LPBF- HSSR样品的微观结构。(a-a2) (i-i2)样品的波段对比度(BC)、反极图(IPF)和GND分布图。(b) (j)分别为(a1) (i1)的PF图像。(c-d) (k-l)晶粒等效直径和长径比。(e-f) (m-n)细胞亚结构的SEM图像和纵横比。(g-h) (o-p) SEM图像及析出纳米颗粒的尺寸分布。
图2 熔池温度场及凝固条件。(a-b)分别为LPBF和LPBF- HSSR试件熔池温度场的纵向截面。(c-d) LPBF和LPBF- HSSR试样等温熔融界面温度梯度G、生长速率R和冷却速率T的对比分析。(e) LPBF和HSSR条件下G和R值的凝固图。
图3 单轴拉伸性能。(a)具有代表性的工程应力-应变(σ−ε)曲线。(b)当前LPBF- HSSR样品的力学性能与LPBF、热处理(HT)、激光定向能沉积(LDED)、磁场(MF)应用、重熔、复合材料和高强度铝合金的力学性能比较。(c)真实应力(σt)和加工硬化率(ζ)与真实应变(εt)的对比图，附图显示了详细的视图。(d)不同应变阶段的加工硬化指数(n)值。
图4 LUR拉伸试验和断裂分析。(a)两个样品的LUR拉伸测试结果。(b)拉伸试验过程中σflow、σback和σeff的演变。(c)在不同应变水平下，σeff占总σ的比例(σeff/σflow)。(d-d') (g-g')拉伸断口附近的IPF和TF图像。(e-e’)(h-h’)(d)和(g)中蓝框区域的GNDs和BC图像。(f) (i)分别为(e)和(h)中蓝框区域的SEM图像。(j-l)不同应变下断口附近位错演化。
综上所述，HSSR技术被认为是一种突破性的、实用的原位改性LPBF合金微观组织和力学性能的方法，具有很大的应用潜力。提高等轴细化晶粒的比例，可以显著缓解试样在MPBs处的应变局部化，从而延缓脱黏，提高试样的延性。细化晶胞结构，增加晶界密度和析出纳米颗粒，可有效提高加工硬化能力，最终提高抗拉强度。HSSR处理的Al-Si合金对各向异性、断裂韧性和疲劳性能的影响是航空航天领域非常关注的问题，值得进行深入探讨。
相关研究成果以「Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting」为题发表在Materials Research Letters（Volume 12, 2024 - Issue 9）上，论文第一作者为 Shuoqing Shi， 通讯作者为 Yufan Zhao 。
论文链接：
https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2370853
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来自：多尺度力学
