激光選區(qū)熔化引發(fā)的組織、性能各向異性

　　研究背景

　　激光選區(qū)熔化是近年來快速發(fā)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(qū)熔化制備的合金組織容易呈現(xiàn)明顯的各向異性，主要表現(xiàn)為晶粒、熔池形態(tài)在不同方向存在差異(如圖1)。

　　圖1 激光選區(qū)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(chǎn)生影響。因此，研究掌握組織各向異性對激光選區(qū)熔化AlSi10Mg合金斷裂韌性的影響規(guī)律，有助于該技術和材料的應用。

　　創(chuàng)新研究

　　中國航發(fā)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(qū)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(tài)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(tài)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(shù)據(jù)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(tài)合金試樣的斷裂韌性存在各向異性。主要表現(xiàn)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(qū)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(fā)生失穩(wěn)擴展;而裂紋表面垂直于成形方向時，裂紋發(fā)生失穩(wěn)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(nèi)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(nèi)部擴展時表現(xiàn)出的斷裂韌性更好。

　　研究結果表明

      激光選區(qū)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(tǒng)成形技術相比具有顯著優(yōu)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(fā)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(wǎng)

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