研究-激光粉床熔融过程中断不会显著改变AlSi10Mg铝合金性能！

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密西西比州立大学、南阿拉巴马大学和阿伯丁试验场美国陆军研究实验室的研究人员研究了不同制造中断条件（中断时间和空气暴露）对激光粉床熔融（LPBF）制备Al-Si-10Mg合金显微组织和力学性能的影响，研究表明激光粉床熔融工艺的中断不会显著影响Al-Si-10Mg合金力学性能(即拉伸和显微硬度)。然而，中断可能会导致故障位置，特别是考虑复杂几何结构零件时。在增材制造生产中最大限度地减少中断和停机时间是非常重要的，因为这些会对交付时间产生不利影响。相关研究成果发表于《Journal of Materials Engineering and Performance》期刊。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s11665-022-07217-1

激光粉床熔融(LPBF)是种增材制造(AM)工艺，是以逐层叠加的方法制造复杂三维实体零件。该工艺利用激光束作为热源，以迭代的方式局部熔化粉末原料层，直到堆积成一个完整的三维实体零件。目前增材制造铝合金已经被广泛研究，大多数研究结果表明与铸造或锻造零件相比，增材制造的铝合金力学性能甚至超越传统材料加工方法制备的零件。由于零件是逐层制备的，因此在制造过程可能会发生打印停止或暂停过程。在某些情况下，打印中断是为了有意地在零件中插入传感器，如射频识别标签，甚至是为了调整工艺参数。打印中断也可能是由于缺乏原料、没有剩余惰性气体等因素造成，甚至是由于停电等更大原因造成。这些中断可能会导致零件微观组织异常，如孔隙率增加、存在缺乏融合的缺陷以及零件中的氧化物等导致零件在服役过程中过早失效。因此有必要了解这些中断对打印零件质量的影响。

这项研究报道了通过几次有和没有空气暴露的定时中断来扩展先前的研究，代表制造环境中可能发生的潜在中断场景。这些研究旨在将中断的冶金效应与中断的几何效应分开。研究还考虑了时间、热量和空气对中断增材制造零件的微观结构和力学性能的影响。研究结果表明对那些希望以非常低的生产效率制备复杂几何部件，同时确保满足强度和性能要求的零件来说，增材制造已经成为一种常见的选择。不同的中断时间（15分钟, 12小时和24小时）以及中断期间的空气暴露对激光粉床熔融制备的Al-Si-10Mg和最终零件性能没有显著影响。相反，在中断过程中加热的建造平台对合金产生原位热处理，中断时间延长至24小时导致局部失效。

表1 实验顺序及方案

图1拉伸试样的结构、尺寸及大致位置示意图，距离底部40mm处中断，用红色虚线表示。中断位置有意从试样的几何中点偏移，以区分中断引起的失效和正常拉伸加载引起的失效

图2 (a)对照样品和(b)中断24h样品的CT扫描结果

图3 中断24小时样品微观组织，虚线框周围的水平线因打印中断而变色，在所有中断24小时样品上观察到的一个独特特征是存在一条与中断面相匹配的水平线

图4 中断15min试样，黑色区域为缺陷

图5 (a)对照样品的SEM图像，Si相和α-Al共晶组织；(b) 中断12小时样品存在低Si相；(c) 中断24小时样品微观结构，取自中断以下的测量截面，虚线框表示硅相不连续的区域。白色箭头指向较大的硅网状结构；(d) 中断24小时样品微观结构，取自中断以上部位，Si的不连续区域并不普遍

图6 不同样品中氧含量

表2 不同样品的氧含量

图7 对照样品，中断15分钟，12和24小时样品维氏硬度，红色虚线表示中断位置

图8 各实验组弹性模量、屈服强度和极限抗拉强度

图9 各实验组断裂延伸率与极限抗拉强度

表3 不同样品的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率的平均值和标准差

图10 (a)中断对照、(b)中断12小时空气和(c)中断24小时空气样品断裂图，蓝色实线表示中断位置。每个样品用胶带粘在一起，右半部分代表样品的下半部分

图11 (a) 中断24小时空气试样断口表面微孔；(b)中断在惰性气氛下24小时样品的微孔；(c)未融化的粉末颗粒在中断24小时空气中样品；(d) 中断24小时空气中样品其他地方未融化的粉末颗粒

总的来说，研究结果表明需要适当的重启程序，并能够尽快检测到激光粉床熔融过程的中断，以最大限度减少对试件和力学性能的影响。这项研究证明激光粉床熔融工艺的中断不会显著影响力学性能(即拉伸和显微硬度)。然而，中断可能会指示故障位置，特别是当考虑复杂的几何结构时。在增材制造生产中，最大限度地减少中断和停机时间是特别重要的，因为这些会对交付时间产生不利影响。从实验结果可以得出以下结论:

1.中断试样的屈服强度和极限抗拉强度不受中断的影响，与对照试样和文献中发表的结果差不多呈现一致。

2.在中断位置前后，每个试样的显微硬度都是一致的，这证实了力学性能没有受到太大影响，整个试样的显微组织保持均匀。

3.裂缝区周围孔隙度没有增加，CT和显微照片观察到的孔隙主要是球形的，在中断区周围没有明显缺乏融合缺陷。

4.在中断15min和12h的样品中，所有样品均以脆性断裂方式失效，中断样品的破坏位置不局限于中断区域，这些发现表明短暂的停顿不会导致特定的故障位置。中断表面上的氧化不会引起这个区域总氧含量的显著增加。

5.中断24小时的试样在中断区周围经历了局部破坏，归因于试样中断时发生的热处理，由于铝基体的界面能较高，24小时的中断时间导致热影响区内较粗的沉淀相产生。

6.中断24小时试样的微观结构受到原位热处理的影响，导致SEM图像中观察到Si相尺寸的增加，微观结构的变化不影响力学性能，但会影响断裂行为。

在未来，作者团队可能会继续研究包括研究额外热处理对中断样品的影响，作为使样品性能均匀化的一种方式，特别是抵消在中断过程中发生的原位热处理。还可能研究处理中断时不同的工艺参数，考虑增加总能量密度，以确保中断层内部和周围有充分的熔化。此外还可能会对中断试样进行疲劳测试，以了解中断对疲劳寿命的影响。

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