西北工业大学林鑫教授团队：基于原位高速重熔策略的增材制造铝合金强-塑性突破

3D科学谷曾在《一文看懂铝合金制造在3D打印领域的现状与发展态势》一文中从市场发展态势，粉末材料当前的技术突破，以及铝合金与3D打印技术的多种结合方式，铝合金的应用优势领域，深入分析了铝合金制造在3D打印领域的现状与发展态势。3D打印行业目前正在发生的发展趋势是铝合金材料的全球供应链似乎已经“越过门槛”，成为支持增材制造技术的下一代机遇。

近期，题目为“Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting”的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文第一作者为西北工业大学材料学院博士生史硕晴，通讯作者为林鑫教授、赵宇凡教授以及杨海欧副研究员，第一通讯单位为西北工业大学凝固技术国家重点实验室。本期谷.专栏将对该文的研究背景、最新进展及总结进行分享。

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提升综合力学性能

增材制造技术的出现给现代工业带来了深刻变革，但目前铝合金的制备面临两大困境：一方面，高强铝合金的增材制造可加工性较差；另一方面，铸造铝合金虽然成形性优异，但难以突破中-高强度性能范围，严重制约了其在极端服役环境下的应用。为此，研究者尝试各种方法来解决这些难题：施加磁场/超声场等辅助场；采用多种热处理制度来调控微观组织；甚至添加昂贵的稀土元素来达到晶粒等轴化以及析出强化相的目的。虽然这些努力使得组织-性能得到一定改善，但研发成本较高。因此，建立一种工艺简单、可靠性强、成本低廉的方法来提升综合力学性能，成为具有挑战的科研议题。

近期，西北工业大学林鑫教授团队在深刻理解快速凝固理论的基础上，充分发挥激光增材制造的极端工艺条件，以最为常见且价格低廉的AlSi10Mg合金为对象，开发出一种原位高速重熔策略（HSSR），使得晶粒发生显著的柱状晶→等轴晶转变（CET），同时获得更加细化的晶内胞状亚结构，提高了Al基体中纳米析出相的体积分数，实现了增材制造铝合金的强-塑性突破。制备出的铝合金试样具有优异的表面光洁度以及内部冶金质量；屈服强度为279.5 ± 2.3 MPa，抗拉强度为496.1 ± 5.8 MPa，断裂延伸率为21.4 ± 0.9%，综合拉伸性能在目前已知的所有增材制造铝硅合金及复材中表现最为优异。相关工作以题为“Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting”的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文第一作者为西北工业大学材料学院博士生史硕晴，通讯作者为林鑫教授、赵宇凡教授以及杨海欧副研究员，第一通讯单位为西北工业大学凝固技术国家重点实验室。

在本工作中，对常规激光选区熔化（LPBF）试样以及高速重熔策略（HSSR）试样进行了对比研究。通过微观组织分析可知（图1），非重熔LPBF试样具有强烈的 <100> 织构，Al基体内部析出相不显著。相比之下，HSSR试样的熔池区域边界不明显；等轴晶比例显著提升，呈现出柱状晶-等轴晶混合形态，并且GND更多的分布在熔池内部。HSSR策略后，晶粒的 [001] 取向被削弱，各向异性程度显著降低；晶内胞状亚结构的等轴化趋势加强；且Al基体内部弥散分布大量的纳米析出颗粒。通过分布直方图统计数据可知，HSSR策略促进了晶粒以及晶内胞状亚结构的细化和等轴化。

▲图1 沉积试样的微观组织。（a-a2）（i-i2）带对比度、反极图和GND分布图；（b）（j）分别对应（a1）（i1）的极图；（c-d）（k-l）晶粒等效直径和长宽比；（e-f）（m-n）胞状亚结构的SEM图像以及长宽比分布图；（g-h）（o-p）Al基体内部析出相的SEM图像以及尺寸分布图。

对两组试样进行了室温拉伸（图2）。与常规的LPBF试样相比，HSSR试样的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别提升了27.3%，22.5%和103.8%。对比图中列举了增材制造外加辅助场、后续热处理、常规重熔、添加强化颗粒等不同工艺条件下AlSi10Mg合金，以及添加稀土元素改性的高强铝合金的拉伸性能。可知，利用HSSR策略，合金的断裂强度和延伸率同时显著提升，在目前已知数据中表现最为突出。通过对加工硬化指数的进一步分析可知，HSSR策略试样具有显著的加工硬化能力，且随着拉伸应变的不断提升，加工硬化指数逐渐升高，从而可以获得优异的拉伸强度。

▲图2 轴向拉伸性能。（a）典型工程应力-应变曲线；（b）轴向拉伸强度-断裂延伸率性能对比图；（c）真应力/加工硬化率-真应变曲线；（d）不同应变阶段下的加工硬化指数。

本研究创造性提出的原位高速重熔策略（HSSR），是一种简单易行、稳定可靠、成本低廉的调控手段。HSSR策略促进了晶粒以及晶内胞状亚结构的细化和等轴化。通过较硬等轴晶和较软柱状晶间协调变形，有效缓解了熔池边界的应变局部化，延迟了脱粘，提升了试样延展性；同时晶粒及晶内胞状亚结构的细化、以及Al基体内纳米析出相比例提升，有效改善了加工硬化能力，使拉伸强度提升。这一成果不仅使得增材制造铝硅合金获得了前所未有的拉伸性能，还有望为增材制造其他类型合金的性能提升开辟一条新的技术途径，具有巨大工程应用潜力。

论文来源： (Materials Research Letters)

Shuoqing Shi, Yufan Zhao*, Haiou Yang*, Chewang Jia, Haoyuan Deng, Tianchi Zhang, Xin Lin* & Weidong Huang (2024) Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting, Materials Research Letters, 12:9, 668-677. (原文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2370853）

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