顾冬冬教授团队：激光增材制造铝合金构件「材料-工艺-性能」一体化研究
铝合金常被用于航空航天承力部件，其高温力学性能对于飞行器的飞行安全至关重要。基于粉末床的激光增材制造铝合金已经在该领域实现了很多重要应用，因此，亟须建立LPBF成形铝合金组织与高温力学性能之间的映射关系，进一步探索合金组织-高温性能一体化调控机理，对提升其在航空航天等领域的服役安全性和稳定性至关重要。
围绕如何提升激光增材制造AlSi10Mg成形件的室温/高温力学性能，南京航空航天大学顾冬冬教授团队与成都飞机工业（集团）有限责任公司，研究了成形方向对LPBF成形AlSi10Mg合金冶金缺陷、显微组织、室温/高温力学性能、疲劳性能的影响规律，揭示了LPBF成形AlSi10Mg合金疲劳裂纹的扩展机理，为提升LPBF成形AlSi10Mg的综合服役性能提供理论指导。相关研究在《中国激光》学术期刊刊登，并以封面文章发表。
封面解读
封面呈现了激光粉末床熔融一体化成形铝合金复杂构件及铝合金标准疲劳试样的过程。激光粉末床熔融技术为高性能复杂铝合金构件的短周期、净成形制造提供了新的技术途径。
图1（a）LPBF成形过程；（b）垂直、平行与铺粉方向的成形试样示意图；（c）LPBF成形AlSi10Mg柱状试样；（d）标准疲劳试样
图2 不同方向成形试样高温拉伸性能柱状图。（a）100 ℃；（b）125 ℃；（c）150 ℃；（d）175 ℃
图3 垂直方式成形试样疲劳性能。（a）光滑试样的疲劳S-N曲线（R = 0.1、Nf = 107）；（b）疲劳裂纹扩展速率da/dN随应力强度因子范围∆K关系曲线主要结论
1)垂直方式成形试样的截面显示了不同方向的熔池形态，熔池主要呈椭球形和半圆柱形，熔池宽度约为100μm水平方式成形试样截面的显微组织显示，沿成形方向的熔池呈典型的鱼鳞形态，熔池深度为30~80μm。不同方向成形柱状试样截面上的熔池边界较为清晰，但显微组织差异较大:垂直方式成形柱状试样的截面呈半圆柱形熔池形貌，而水平方式成形柱状试样的截面呈层状结构。这归因于LPBF工艺逐层累积、熔池逐层熔凝的特性。
2)垂直方式成形试样的压缩强度低于水平方式成形试样。在压缩过程中，垂直方式成形试样的裂纹扩展路径比较简单，而水平方式成形试样的裂纹扩展路径较为复杂，因而后者具有更高的压缩强度。温度和成形方向均会影响LPBF成形AlSi10Mg合金的拉伸性能:随着温度升高，所有试样的强度都呈现递减的趋势，而延伸率则逐渐升高；水平方式成形试样的强度均高于垂直方式成形试样。由于LPBF铝合金熔池边界的粗晶特征，熔池与层间结合成为影响材料拉伸性能的最主要因素。在拉伸试验过程中，拉伸载荷的方向与垂直试样层间位置垂直，熔池边界粗晶区的裂纹在应力影响下更易形核扩展；而水平方式成形试样的拉伸载荷平行于层间位置，粗晶区对裂纹扩展的影响较小，故水平方式成形试样具有更高的拉伸性能。
3)LPBF垂直方式成形AlSi10Mg合金试样的疲劳强度为151.25MPa；经历107次循环后，合金的疲劳强度有较大损失，强度下降原因是疲劳性能对孔洞等缺陷比较敏感。LPBF成形AlSi10Mg合金的疲劳寿命为2.1×105周次，疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth为0.981MPa·m1/2。
总结
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课题组介绍
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南京航空航天大学江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室于2017年由江苏省发改委批准成立，由顾冬冬教授担任实验室主任。团队主要从事激光增材制造材料设计制备、装备研发、软件集成、智能工艺、性能调控及应用验证等方面研究。
团队近五年在工程、制造、材料、应用物理等领域国际期刊上发表SCI论文100余篇，JCR一区期刊论文70篇，9篇入选ESI高被引论文。由德国Springer出版英文专著1部，申请/授权国家发明专利40余项、PCT国际专利4项。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、装备预研共用技术重点项目等国家及省部级项目30余项。
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通讯作者简介
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主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址：www.amreference.com
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