通過激光粉末床熔化(LPBF) 增材制造工藝生產的 AlSi10Mg 合金部件通常比通過傳統成熟加工技術制造的部件具有更高的強度但延展性更低。熔池邊界對 LPBF 生產的 AlSi10Mg 的延展性和斷裂行為的影響尚未得到系統研究。
        多倫多大學材料科學與工程系的研究團隊在相關工作中，重點使用原位拉伸試驗研究熔池邊界區域的局部應變演變、微孔生長和裂紋形成和基于同步加速器的 X 射線顯微斷層掃描。結果表明，熔池邊界的面積分數從 5.48% 降低到 4.48% 導致 LPBF AlSi10Mg 樣品的拉伸延展性從 7.2% 增加到 9.8%。通過影響 LPBF 工藝中熔池邊界的密度，同時保持零件密度，這項研究工作為實現兼具高強度和延展性的 AlSi10Mg 增材制造產品提供了一個新機會。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114954

 研究背景

      激光粉末床融合( LPBF ) 使用激光束熔化粉末并構建三維近凈形零件。AlSi10Mg 的 LPBF 因其高強度重量比、優異的耐腐蝕性以及在汽車和航空航天工業。與鑄態對應物相比，LPBF 生產的 AlSi10Mg 顯示出更高的強度。然而，相對較差的延展性阻礙了 AlSi10Mg LPBF 增材制造技術的商業應用。

      LPBF 增材制造AlSi10Mg 材料系統通常表現出異質的微觀結構特征，例如 (i) 熔池內的細孔，(ii) 沿熔池邊界的粗孔，以及 (iii) 熔池邊界外圍的熱影響區 (HAZ)。在研究異質微觀結構，特別是熔池邊界對 LPBF 增材制造AlSi10Mg 的斷裂機制和拉伸延展性的影響方面存在知識空白。
       最近的一些研究表明，熔池邊界是有利于斷裂起始或擴展的薄弱區域，拉伸試驗樣品顯示出各向異性強度和延展性。例如，斷裂表面表現出類似激光掃描的特征，并且鋁基體之間的Si開裂或脫聚優先發生在熔池邊界。然而，Delahaye等人的其他研究，報道 LPBF AlSi10Mg 的斷裂發生在HAZ，而不是熔池邊界。但該研究的樣品延展性差（~1.8%），不足以支持其延展性斷裂的聲明。迄今為止還沒有論文系統地分析 LPBF AlSi10Mg 中的微孔和裂紋形成。因此，缺乏對熔池邊界對斷裂行為的作用的基本理解LPBF AlSi10Mg。

在此背景下可以開展的研究問題有兩個：（1）首先，探索熔池邊界的密度如何影響 LPBF AlSi10Mg 的斷裂機制和拉伸延展性；（2）其次，探索微孔形核過程，熔池邊界區域的增長和連接。在這項工作的背景下，熔池邊界的密度是通過其面積分數來估計的。

為了解決這些研究問題，多倫多大學材料科學與工程系提出了一種通過改變激光融化距離來調整 LPBF AlSi10Mg 延展性的方法，同時確保零件密度保持不變，并為通過原位拉伸測試和基于同步加速器的 X 射線顯微斷層掃描觀察熔池邊界，了解其斷裂機制提供了新的機會。
LPBF 增材制造AlSi10Mg 的斷裂主要歸因于熔池邊界處微孔和裂紋的形成和擴展，這是由熔池內部和熔池邊界之間的應變不相容引起的。因此，目前的工作表明，LPBF AlSi10Mg 的延展性可以通過降低熔池邊界的密度來提高。

 圖文解析

圖 1 (a)使用兩種不同間距（分別為80 μm 和120 μm）的LPBF過程示意圖。(b) 光學顯微鏡 (OM) 圖像和 (c) 掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像顯示樣品 A 的微觀結構。(d) 樣品 A 和 B 的熔池邊界的面積分數。(e) OM 圖像和 ( f) 顯示樣品 B 微觀結構的 SEM 圖像。

圖 2 (a) BSE 圖像顯示樣品 B 中壓痕后的區域。(b) 局部納米硬度( H )，(c)彈性模量( E )，(d) 在 (a) 中顯示的區域中H與 E 的值。(e) (b) 的 K 均值聚類分析。

圖 3 (a) 樣品 A 和 B 的工程拉伸應力-應變曲線（作為真實應變函數的加工硬化率顯示在插圖中）。應力-應變曲線中的點 1、2、3 和 4 分別對應于 (d) 中所示的應變水平。(b) 樣品 A 和 B 在極限強度和伸長率方面與文獻數據的比較。(c)進行原位SEM拉伸測試的區域的 SEM 圖像。加載方向沿 X’ 軸，與構建方向平行。熔池邊界是兩條白色虛線之間的區域。(d) 拉伸試驗期間沿 X’ 和 Y’ 軸的 DIC 局部應變圖，對應于 (a) 中的點。圖 4 顯示了熔池邊界處的應變濃度。

圖 4 (a) 和 (b) 樣品 A 斷裂區域附近表面的 SEM 圖像，顯示熔池邊界中的微孔形核和裂紋擴展。(c) 和 (d) 樣品 B 斷裂附近表面的 SEM 圖像，顯示微孔成核，裂紋比樣品 A 少。微孔用黃色箭頭表示。

圖 5 樣品 A 和 B 的基于同步加速器的 X 射線顯微斷層掃描。顯微斷層掃描區域包括來自圖 S1 中所示的拉伸測試試樣的標距長度的中心部分（補充信息）。樣品 A 中多孔缺陷的分布：(a) 拉伸試驗前，(b) 拉伸試驗后的一半斷面，(c) 試驗后樣品 A 中的縱橫比與多孔缺陷頻率的關系。樣品B中的多孔缺陷：(d) 拉伸試驗前，(e) 拉伸試驗后的一半斷裂表面，以及 (f) 后試驗樣品 B 中的縱橫比與多孔缺陷頻率的比較。(c) 和 (f) 表明樣品 A 中存在更多裂紋（縱橫比較低的缺陷）。

(責任編輯：admin)

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