文|近史演绎

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增材制造（AM）工艺能够通过逐层材料沉积从3D数字模型开始生产零件，从而可以制造用于结构和功能应用的复杂形状零件。如今，生物医学、航空航天、汽车、核能和石化行业的几个行业采用激光粉末床融合 AM 工艺来生产组件。

LPBF工艺的特点是激光束选择性地熔化金属粉末床。熔池和熔层的重叠在固化材料中诱导连续的加热和冷却循环，导致复杂微观结构的形成。为了增强和微调材料性能，重要的是通过适当的热处理进一步修改微观结构。

(资料图片仅供参考)

在过去十年中取得重大成功的合金之一是AlSi7Mg，由于其良好的加工性，耐腐蚀性以及机械性能和密度之间的高比率，它现在主要用于LPBF生产的结构零件。

机械测试：用于拉伸测试的试样由尺寸为 10 × 10 × 100 mm 的印刷棒材加工而成3.与建筑方向正交打印的拉伸试样标记为H（水平），而与建筑方向对齐的试样被命名为V。 根据 ASTM E8/E8M-21 标准在室温空气中，十字头速度恒定为 0.5 mm/min，进行拉伸试验。针对每个方向和材料条件测试了三个试样。

根据 ASTM E1820-20 标准对标称尺寸为 W= 24.8mm 和 B= 12.4 mm 的 C试样进行了断裂韧性测试。根据ISO/ASTM 52，921：2013标准，Z轴定义为建筑方向，X轴平行于机器前部定义，Y轴垂直于Z轴和X轴定义。

根据裂纹方向，断裂试样按照 ASTM E1820-20 标准 的命名法命名为 Y-X、Z-X 和 Y-Z。需要注意的是，尽管对于Y-X和Y-Z试样，裂纹平面相同，但裂纹延伸发生在垂直方向上。疲劳预开裂和断裂韧性测试均在室温下进行，MTS Landmark 伺服液压试验机配有 15 kN ±称重传感器和 MTS 632.02F-20 断裂引伸计。在试样加载过程中，采用卸荷顺应性方法测量裂纹长度。

微观结构和断口分析

使用光学显微镜和扫描电子显微镜分析微观结构和断裂表面。配备了能量色散X射线分析，二次电子和背散射电子探测器以及电子背散射衍射探测器。执行标准研磨和抛光程序以制备用于金相分析的样品。分别使用凯勒试剂和巴克试剂进行化学和电解蚀刻，以揭示微观结构特征。

对于 EBSD 分析，将试样研磨到 2500 砂纸，使用金刚石浆料和胶体二氧化硅在 Struers Tegramin 机器中进行抛光。为了研究通过微观结构的裂纹路径，将C试样以试样厚度的一半与裂纹平面正交切割。

之后，切割表面随后使用凯勒溶液进行研磨、抛光和蚀刻。使用Image J软件的分析工具对T6条件下的试样进行定量金相分析，其中Si颗粒根据以下参数进行分析：平均周长，平均面积、圆度、纵横比和每个硅颗粒之间的平均距离估计，将颗粒视为完美周长。

微观结构分析

图片a显示了平行于AB样品构建方向的切片的光学显微照片。微观结构由微小的凝固熔池和沿主温度梯度取向的粗柱状晶粒组成。在更高的放大倍率下，FE-SEM图像如图。图片b和图的TEM图像。图片C揭示细胞晶粒生长机理。晶粒确实由细长的亚微米尺寸的细长细胞组成，边界上通过精细的连续共晶Al-Si网络进行装饰。

A357的透射电镜图像直接从AB状态老化报道。在160°C下进行的人工老化导致Al细胞略微粗糙。在更高的放大倍率下，可以注意到丰富的板条形β“平均长度约为20nm的颗粒，在快速凝固和冷却诱导的过饱和固溶体老化过程中析出。直接老化对细胞边界处Si网络的形态也有轻微影响，这些形态变得不连续。

图的光学和SEM显微照片。图片ab显示了T6样品的微观结构，即在530°C下处理溶液并在160°C下老化的样品。 微尺寸的Si颗粒分散在Al颗粒中。

在AB和T6条件下对试样的建筑方向横截面进行了EBSD分析。两种条件下α-Al相的方向图如图所示。沿着建筑方向生长的细长颗粒没有明显的首选方向是显而易见的。显微照片显示了柱状颗粒沿熔池边界的热梯度外延生长。

拉伸试验：下方图片显示了A357合金在T6条件下的拉伸应力-应变曲线与先前发表在Menezes等人上的AB和T2019合金的结果相比。

断裂试验：下方第1.2.3张图片分别显示了在 AB、T5 和 T6 条件下测试的 C试样的载荷与裂纹口开口位移记录。在实验记录中，弹性卸荷顺应性技术测量裂纹延伸所需的卸荷-重装序列非常明显。此外，显示了每种条件下C试样断裂表面的代表性图像。在这些图像中，从上到下可以清楚地观察到缺口、疲劳预裂纹、稳定的裂纹扩展和疲劳后裂纹区域。

抗裂纹扩展曲线和断裂韧性

从实验J-Δa对点得到的T6试样在三种不同裂纹扩展方向上的调整J–R曲线如图所示。Menezes等人的AB和T2019条件结果进行了比较，其中还报告了钝线和0.2毫米偏移线。断裂韧性值根据 ASTM E0-2b 标准从 J-R曲线与平行于钝线的 20.2020 mm 偏移线的交点确定。

分形分析：显微照片显示了T6 Z-X试样疲劳预裂的断裂面和稳定的裂纹扩展区域，均显示凹陷，即延性断裂的典型特征。

从裂纹前和稳定裂纹扩展区垂直于裂纹平面的中段采集蚀刻C（T）试样的LOM和SEM显微照片。在AB和T5条件下C标本的代表性图像已经在Menezes等人中呈现。显示了T6 Y–Z试样在疲劳预裂纹和稳定裂纹扩展区域期间的裂纹路径。从左到右：疲劳预裂纹区域、疲劳预裂纹尖端（箭头表示）和稳定裂纹扩展区域。

在AB条件下，A357铝合金具有LPBF生产的合金典型的对齐凝固轨道。在熔池边界可以看到由高冷却速率产生的具有细化晶粒结构的区域。另一方面，在熔池的中心部分，可以看到柱状颗粒。EBSD方向图表明柱状颗粒沿建筑物取向生长，没有明显的优选晶体取向。在AB条件下，微观结构由亚微米结构组成的晶粒组成，该结构由细长电池在边界处通过精细共晶Al-Si网络修饰。

在T5回火条件下，人工时效促进了被Si颗粒包围的α-Al晶粒的小粗化，以及板条形β的析出“（Mg4铝3四4）基质中的粒子。T6热处理诱导SLM工艺产生的微观结构粗化，主要在Al晶粒的晶界处生成球状Si颗粒，在Al基体中分散的微尺寸Si颗粒。

T6合金中的时效也会产生β“沉淀物的精细分散，作为参考，表示T6回火前后从质地角度看没有明显变化。

这些微观结构差异会影响拉伸性能。在AB条件下，平行于建筑方向的亚微米细长蜂窝结构被认为是在水平和垂直拉伸试样中观察到差异的主要原因。

水平标本具有较高的σYS比垂直的，但相似σ中央科技大学观察到两个方向的值表明水平方向上的应变硬化效应较低。

但是，σ的差异YS对于水平和垂直方向仍然存在，这可能与剩余的细长细胞结构有关。另一方面，T6热处理降低了两种σYS和σ中央科技大学值与其他条件相比。考虑到σ，它还减少了AB和T5条件下的垂直和水平试验观察到的各向异性行为YS值。

关于材料在三种条件下的断裂行为，T6热处理降低了AB和T5回火A357铝合金中观察到的高度各向异性断裂行为。从最后一列可以看出，T6试样在所有裂纹取向下都具有相似的断裂韧性值。聚焦微观结构对断裂韧性的影响，在T6条件下，小Si颗粒几乎均匀分布在Al基体内部。

众所周知，结构应用的最佳材料是那些具有良好机械强度和断裂韧性组合的材料。在所有测试的方向中，T6 条件的平均强度-韧性组合最低。另一方面，T6回火的一个优点是三个方向的机械性能均匀化，这使得这种处理对于存在复杂多轴应力和需要公平延展性的应用具有吸引力。

此外，同样重要的是要强调，T6回火消除了AM工艺引起的有害残余应力，众所周知，AM工艺在AB部件的结构完整性中起着重要作用，并且是零件从基板上移除后变形的原因。反过来，T5 回火负责部分释放残余应力，另一个重要的观察结果是最小J集成电路AB和T5条件的值沿Z-X方向确定，最低值与T5回火相关。

这一结果表明，从拉伸性能和断裂韧性的角度来看，在建筑方向上加载材料并不是最佳选择。如果韧性对结构应用很重要，则AB是最佳条件。如果屈服强度是重点，T5回火将是最佳选择，特别注意Z-X取向的低韧性和一般的低延展性。

经过广泛的文献研究，没有发现LPBF生产的A357合金在这三种条件下的断裂响应数据。与文献中的拉伸性能和断裂韧性数据进行比较只能用于铸件。

根据实验结果，可以提出以下评论：考虑到本研究中使用的试样几何形状，该材料在所有条件和裂纹方向下都具有弹性塑性（延展性）行为。通过对断裂面的观察证实了延性断裂的发生。

T5热处理后，在AB和T6回火条件下观察到的机械各向异性显着降低。但是，在主要加载方向与建筑方向正交的情况下，应考虑材料在AB或T5回火条件下的应用。还值得注意的是，已知T6处理计划能够消除残余应力，从而避免零件从建筑平台上移除后变形甚至失效，特别是在处理大型部件时。

除垂直于建筑方向的裂缝外，AB材料的断裂韧性最高。如果断裂韧性是应用的重要要求，并且主要加载方向不是建筑方向，则应考虑AB材料的应用。

直接老化（T5回火）增加了σYS和σ中央科技大学作为建筑材料。如果抗拉强度很重要，并且不希望出现垂直于建筑方向的裂缝，则应考虑这种热处理。

AB和T5条件下的最低机械性能，无论是在抗拉强度还是断裂韧性方面，都与沿建筑方向的载荷有关。这种行为与沿熔池边界存在裂纹扩展的优先路径有关。

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