LPBF AlSi10Mg的损伤部位和断裂路径:对比水平和垂直方向

供稿人:周航 鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

激光粉末床熔化(LPBF) AlSi10Mg的研究已经持续了十多年，研究人员对其特征组织、缺陷、机械强度和抗疲劳性能有了深入的认识。由于定向凝固下的外延生长，(100)织构在LPBF铝合金中普遍沿成形方向存在。此外，LPBF AlSi10Mg的微观组织在熔池的不同区域呈现出不同的变化。根据富硅共晶相的形态和大小，熔池通常分为细熔池(FMP)区、粗熔池(CMP)区和热影响区(HAZ)。一般认为CMP和HAZ形成熔池边界，与FMP区相比，其所占熔池体积要小得多。LPBF AlSi10Mg具有各向异性的力学性能，主要是由熔池取向引起的，而沿成型方向的织构影响不大。一般来说，材料在沿成型方向加载(即垂直加载)时出现较低的破坏延伸率，由于其强度较低，熔池边界预计会出现应变局部化。垂直试件的抗拉强度与水平试件的抗拉强度基本相当，甚至更高。垂直试样的低断裂伸长率被广泛认为是应变局部化和裂纹通过CMP或HAZ扩展的结果。此外，初始孔隙的形态也可能是垂直试样较低断裂应变的部分原因。

图1 熔池边界的细熔池、粗熔池和热影响区(a)，细熔池在xz(b)和xy(c)平面的富硅共晶网络二维形貌；富硅共晶网络结构(d)及其在不同切割平面上的二维表示(e) (f)

对熔池进行放大，在二维SEM显微图中观察到由α-Al和富硅共晶相组成的细小组织。图1a为跨熔池边界的结构，富硅共晶相在CMP和FMP中表现为一个相互连接的网络，在HAZ中似乎被破坏。封闭的铝胞内含有极其细小的富硅颗粒，直径约为10 nm(图1b和c)。CMP和HAZ构成了熔池边界，厚度约为7 μm。在不同的截面上观察到FMP，它占据了材料的大部分体积，是最具代表性的微观结构。在平行于成形方向的平面上，富硅相沿外延晶粒长大呈拉长状(图1b)，而在垂直于成形方向的平面上，则呈等轴形态(图1c)。

图2 熔池边界富硅共晶结构的三维可视化

通过扫描电镜观察发现，热影响区中富硅共晶网络发生了明显的断裂。因此，采用FIB/SEM层析成像技术，使用5 nm的体素尺寸，提供了微结构的三维可视化。在比较大的体积下，可以观察到CMP和FMP的相互连接很好，如图2a-b所示。但是，当处理体积较小时，CMP和FMP的网络分离，如图2c-d所示。与二维观测相比，在这样的3D体块中考虑互连时，HAZ中的富Si相并没有支离破碎到作为单独的物体单独挑选出来。CMP和FMP区域在大尺度上呈现出一种联系，但在小尺度上就会破裂；热影响区不能从3D微观结构中很好地定义，它似乎是FMP的一部分。综上所述，富硅相呈现出比二维扫描电镜所观察到的更为复杂的结构。由于富硅相的分支形态，热影响区无法在二维视图中准确表征。富硅相在FMP中连通度最高，尺寸最小；在HAZ中连通度最低，尺寸最大。

图3 水平(a) (b)和垂直(c) (d)缺口试样的FMP损伤特征水平(a) (b)和垂直(c) (d)缺口试样的FMP损伤特征。

断裂路径的研究表明，FMP在外部载荷作用下，无论熔池的方向如何，都容易发生损伤。当熔体池边界垂直于拉伸载荷时，CMP是一个有利的断裂路径。相应的，CMP裂纹尾迹区孔洞尺寸较大，FMP、CMP和HAZ的损伤密度相似。这可能是由于CMP的微观结构较粗，并且由于其强度较低，裂纹更容易生长。

参考文献：
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.