西工大黄卫东、林鑫教授团队：3D打印Al-Si合金工艺–组织–性能量化关系研究

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169050

研究背景

随着现代工业，尤其是航空航天、汽车、医疗等领域的快速发展，对材料轻量化以及比强度的要求越来越高。铝合金作为一种传统的轻质有色金属材料，具有低密度、高强度和优良的抗腐蚀性能，在轻合金的研究及使用中占有很大比例。在铸造铝合金中，又以Al-Si合金的制备和使用最为广泛。提高冷却速率可以有效改善强化相共晶硅的形貌和尺寸，然而，传统的制造工艺手段，例如铜辊轮旋淬法、熔融纺丝法等只能制备薄带、丝等尺寸很小的试样，无法满足力学构件的使用要求。激光增材制造技术 (LAM) 不仅可以获得较高的冷却速率，同时可以获得高致密度、大尺寸、复杂精密构件。尽管Al-Si合金在选区激光熔化技术 (SLM/L-PBF) 中有着广泛且深入的研究，但就高效率沉积大尺寸构件而言，其与激光立体成形技术 (L-DBD) 仍有较大的差距。

由于铝合金质轻、密度低，不易汇聚于熔池中；并且其熔点低，在高功率激光和往复热循环作用下不易凝固，因此其在激光立体成形中的研究和应用一直比较滞后。再者，激光增材制造工艺是快速凝固和往复热循环的综合过程，如何深入理解背后的作用机制，对于其微观组织和力学性能的调控具有关键的指导作用。西北工业大学黄卫东、林鑫教授团队基于铝合金的成形特性，在大量的实验基础上，成功制备出高致密度块状Al-Si合金，并对微观组织形成机理及其对力学性能的影响进行了深入、系统的分析，构建出工艺–组织–性能量化关系研究框架。

实验装备

西工大金属高性能增材制造团队具有完备的激光立体成形装备和丰富的实践经验，本工作在自主研发的LSF-VII型设备中完成。针对铝合金成形特点，为了更好地将熔池中及热循环产生的热量及时导出，在沉积基板底部设计了循环水冷装置，提高了Al-Si合金的沉积效率及成形质量，制备了尺寸为70 × 70 × 15 mm3, 致密度为99.24%，微观组织均一的块状试样。

图1. 激光立体成形装备及沉积试样：(a) 西工大金属高性能增材制造团队自主研发的LSF-VII型激光立体成形设备；(b) 成形舱室中沉积打印实物图；(c) 基板底部强制水冷装置示意图；(d) 激光立体成形Al-Si块状合金及拉伸试样实物图

研究手段（1）—数值模拟

工作团队为了深入挖掘成形过程中熔池内部的快速凝固机制以及沉积试样中往复热循环的影响，建立了基于Abaqus软件的有限元模型。模型尺寸与实际打印试样相等，为了兼顾计算效率和模拟精度，充分考虑了“三传”影响，基于物理本质及实际实验条件，进行了合理化假设，提取出了熔池内部的凝固控制参数及沉积试样热循环曲线。

图2. 有限元数值模拟：(a) 有限元模型尺寸及网格划分；(b) 熔池温度场提取截面；(c) 稳态熔池示意图；(d) 凝固控制参数的提取：温度梯度G和固–液界面移动速率R；(e) 沉积试样1、25、50、75层中心点经历的热循环曲线

研究手段（2）—实验表征

激光立体成形Al-Si合金具有多尺度微观组织，利用实验表征的手段可以充分揭示其组织特征和尺寸。从微米尺度的外延生长的柱状晶，到亚微米尺度的柱状树枝晶，到枝晶间网状分布的共晶硅，再到枝晶干内弥散分布的纳米尺度析出硅颗粒。

图3. 多尺度微观组织：(a) 横截面呈等轴状的晶粒形态；(b) 纵截面呈柱状的晶粒形态；(c) 光镜下横截面呈菱形的等轴状树枝晶；(d) 光镜下纵截面呈外延生长的柱状树枝晶；(e) SEM电镜下枝晶周围网状分布的共晶硅相；(f) SEM电镜下呈细晶区、粗晶区、热影响区的熔池边界；(g-i) 基体中析出硅颗粒

通过准静态轴向拉伸试验，获得了沉积试样横向拉伸性能数据。相较于传统铸造等工艺手段，激光立体成形制备的AlSi10Mg合金具备更强的加工硬化能力，加工硬化指数可以达到0.2左右；且具有优良的综合力学性能（屈服强度187±1.5MPa；抗拉强度314±2.4MPa；断裂延伸率7.4±0.5%），突破了传统铸造合金强–塑性无法兼顾的桎梏。

图4. 沉积态试样横向拉伸性能：(a) 工程应力应变曲线；(b) 真应力应变曲线；(c) 加工硬化率及加工硬化指数；(d) 综合力学性能（屈服强度和断裂延伸率）对比图（标注引用参见本工作原文参考文献）

理论模型（1）—非平衡凝固模型

激光立体成形熔池中的冷却速率可以达到103–104 K/s，因此，工作团队根据仿真模拟中提取的熔池内部凝固控制条件对凝固模型中的参数进行修正，将经典非平衡凝固理论应用到此工艺参数范围。一次枝晶间距 (PDAS) 和枝晶胞状结构尺寸 (d ̅_cell) 可以分别被Kurz-Fisher模型以及Kurz-Giovanola-Trivedi (KGT) 模型预测。

图5. 熔池内凝固控制参数与典型微观组织尺度间的联系：(a) 从有限元模型中提取凝固控制参数G和R；(b) 凝固控制参数G和R从熔池底部到顶部的变化趋势；(c) G·R和G/R从熔池底部到顶部的变化趋势；(d) 应用非平衡凝固理论Kurz-Fisher模型和KGT模型对一次枝晶间距和枝晶胞状结构尺寸进行预测和比较

理论模型（2）—非等温时效模型

激光增材制造是快速凝固和原位相变结合的过程，尽管Al-Si合金在增材制造中的研究和应用很多，但关于其析出相形成和演化规律至今没有厘清。工作团队基于数值模拟中热循环曲线信息，结合非等温时效Kampmann-Wagner numerical (KWN) 模型，充分考虑快速凝固导致的溶质过饱和行为，描述出了析出颗粒的形成和尺寸演化规律。

图6. 析出颗粒的成形及演化过程，基体中溶质元素主要为Si，伴有少量的Mg，在初始状态下弥散分布于铝基体中；往复热循环使得熔池元素不断地聚集和扩散，通过KWN模型结合具体热循环曲线，计算出稳态析出颗粒尺寸：(a) 快速凝固导致溶质过饱和固溶于基体中，形成沉淀析出的成分动力；(b) 从沉积试样TEM图中可以看出，基体中的Si元素几乎全部聚集在析出颗粒中，而基体中Mg元素含量变化不大；(c) 将热循环曲线数据带入KMN非等温时效模型中进行迭代，计算出稳态析出颗粒的临界和最终尺寸，与实验结果比较吻合良好

图7. 激光增材制造Al-Si合金工艺条件–成形控制参数–典型微观组织尺寸–拉伸力学性能量化关系研究框架

总结

工作团队以激光立体成形Al-Si合金为蓝本，基于实验表征、数值模拟、理论模型等手段对凝固–相变微观组织形成机理进行了充分的揭示，从而建立起了工艺条件–成形控制参数–典型微观组织尺寸–拉伸力学性能间的量化关系模型。此研究框架不仅为激光立体成形Al-Si合金的精密调控和大尺寸成形提供了实验和理论基础，还为类似合金(Al-Cu合金、Al-Mg合金、高温合金、不锈钢合金)的制备和研究提供了指导思路。