来源：江苏激光联盟
导读：金属增材制造的制品往往呈现出较好的机械性能。然而，这些制品常常会由于存在缺陷（如气孔和未熔颗粒）而在服役时发生前期失效，从而成为裂纹发生的萌生源。裂纹会沿着晶界或晶间含有连续脆性二次相的地方而扩展。
华南理工大学的最新研究报道了选区激光熔化制品的早期失效机理。SLM制造Ag-Cu-Ge合金的次级显微组织表明半共格析出相呈不连续分布，但沿着胞状晶边界周期排列。打印的Ag-Cu-Ge合金的强度可以达到410±3MPa，延伸率可以达到16±0.5%。这一数值远远超过同等成分的铸造合金和退火状态的合金。SLM周期性结构并呈等级分布的析出相和高密度的内部缺陷会导致较高的应变硬化速率和较强的硬化强度，这可以从析出相的孪生和在内部缺陷的富集来证明。这些缺陷主要有位错、堆垛层错和孪生。然而，样品在缩颈之前的断裂是由于在缺陷处使断裂得到加速。该项工作为增材制造超高强度和超高塑性材料并且可以预防早期失效提供了一个可能的途径。该工作由华南理工发表在顶刊《NPG Asia Materials》上并作为封面文章来发表。
《NPG Asia Materials》 的封面 图1 SLM Ag-Cu-Ge合金时的典型组织
a，b：SEM观察到的粗大等轴晶和柱状晶；c 典型的柱状晶且不连续的富Cu析出相的示意图；d TEM电镜观察到的不连续的富Cu析出相且周期性排列；e TEM观察到的沿胞晶和晶界分布的位错；f TEM照片和相应地不连续富Cu析出相的EDS图
增材制造技术，尤其是SLM技术在近年来引起了人们的广泛关注并取得了巨大的发展。其打印出来的产品往往具有较高的强度。然而，增材制造的产品往往是各向异性的、显微组织在不同区域也不一致、形貌在不同尺度下也存在差别。举例来说，SLM的典型特征，如熔道在宏观和微观角度下观察会有差别，其组成相以及分布在微观角度和纳米尺度也存在差别。显微组织在长度方向上基本是典型的各向异性，尤其是在样品存在加热的条件下沿长度方向的变化就更加明显。这一显微组织在长度方向上的各向异性导致SLM制品的机械性能难以预测。此外，SLM样品还存在由于快速冷却和快速加热而形成非平衡相。尽管SLM制品的强度会比同等材料要高，但经常会在没有达到相应强度之前就发生失效，即早期失效。这现象在制造Al-12Si和AlMgSi时尤其明显，其工作硬化曲线并不同应力-应变曲线相一致，表明该材料在缩颈前即发生失效。内部缺陷的高密度和引入的新的缺陷对材料未达到预期的强度即发生失效起到非常重要的作用，此时的SLM尽管有较大的拉伸与断裂强度，也会如此。这一行为称之为早期失效，而且大多数SLM材料均有在缩颈前失效的现象，即使是理论上有较大强度的材料也可能如此。前期失效产生的原因是由于存在气孔、未熔颗粒等缺陷作为裂纹的萌生源，然后裂纹沿晶界或胞界扩展。SLM制造的材料呈现典型的独特的非稳胞状组织，如SLM Al-12Si、AlSi10Mg、CoCrMo和316L。胞晶边界被称之为层层的连接纽带，从而会加速裂纹的扩展。为了充分发挥SLM技术在高强度方面的优势、非常有必要研究早期失效的原因并获得降低早期失效的措施，对充分发挥SLM的优势并让SLM迅速成为未来有竞争力的制造工艺非常关键。
图2 SLM Ag-Cu-Ge的机械行为
在这里，我们报道了增材制造时早期失效的机制。选用Ag-Cu-Ge进行实验。这是因为Ag-Cu合金由于Cur含量较少而不会形成复杂的金属间化合物相，而且Cu-Ge则大概率会形成Cu3Ge和/或Cu5Ge相，从而在Ag基体中析出。因此，复杂的金属间化合物相的析出以及他们所带来的危害就可以避免。研究了早期失效的内在机制并设计了一个路线图来避免SLM中的制品发生早期失效。Ag-7.3wtCu中添加1±0.2wt%的Ge能促进Cu/Ge在初生Ag中的共分离。共晶α+β 相的生成会导致宏观次级结构的形成，这同Cu-10Sn合金SLM时得到的相和形貌类似。从熔池中形成的共晶结构主要是初生的富集Ag-α 相和二次富Cu相（Cu3Ge和Cu5Ge）在基体中周期的排列。细小组织的生成是由于SLM工艺过冷造成的。
图3 拉伸变形后TEM观察到的SLM Ag-Cu-Ge合金 图4 SLM Ag-Cu-Ge合金断裂时纤维组织的等级分布
文献来源：
Wang, Z., Xie, M., Li, Y. et al. Premature failure of an additively manufactured material. NPG Asia Mater 12, 30 (2020). https://doi.org/10.1038/s41427-020-0212-0
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