西工大林鑫教授团队增材顶刊：新机制―揭示增材铝合金胞状基体在宏观力学行为中作用...

转载于 2025-01-13 08:52:50 发布 · 473 阅读

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研究激光增材制造合金的多尺度非均匀宏微观组织，对于优化合金的增材工艺、提高力学性能、拓展应用领域具有重要意义。其中，铝合金中胞状组织是在增材工艺条件下，形成的介于宏观晶粒及微观纳米相之间的一种常见结构。尽管胞状边界（共晶区）对力学行为作用的研究已较为充分，但胞状组织内部基体的力学行为演化规律和作用机制却尚待深入揭示。这一难题的根源在于胞状基体的尺寸限制及其复杂的亚结构。因此，基于胞状组织分布特征、纳米相析出及力学属性分析，揭示胞状基体对宏观力学行为的影响，对于明晰增材制造非均匀异构组织特征力学响应特性，并进一步实现精确主动调控，具有重要学术和工程价值。

近日，西北工业大学林鑫教授团队系统研究了激光定向能量沉积（L-DED）AlSi10Mg合金中α-Al胞状基体对拉伸行为和加工硬化的影响机制。研究发现，α-Al胞状基体对L-DED AlSi10Mg合金的屈服强度贡献率高达约80%，且通过调整工艺参数调控胞状基体内的亚结构（如增加纳米Si析出物和固溶元素含量），可有效增强其屈服强度。进一步揭示了胞状基体在拉伸变形过程中通过产生背应力和有效应力对流动应力的贡献，显著提升了合金的加工硬化能力，从而实现了更高的强度和延伸率。此外，强化胞状基体不仅能提高拉伸强度，还能推迟损伤萌生，增强合金的韧性。通过微观结构观察和有限元模拟，深入分析了胞状基体与富Si胞状边界之间的应力分配和演化，阐明了胞状基体在宏观力学行为中的关键作用。上述研究为精确操控增材制造Al-Si合金的微观结构和性能以满足特定应用需求提供了重要指导，并为其他具有胞状结构的增材制造合金的研究提供了有益参考。相关工作以题为“Significance of α-Al cellular matrix in tensile behavior and work-hardening of additive manufactured AlSi10Mg alloy”的论文发表在国际期刊Virtual and Physical Prototyping（JCR大类一区，IF：10.2）上。

https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2449189

本文利用L-DED方法，通过改变扫描速率、激光功率等关键工艺参数，制备了两组宏-微观组织既具有相似性，又具有显著差异的AlSi10Mg合金试样。

具有典型特征的胞状组织基体内部包含丰富的亚结构，并且可以通过工艺参数的调节改变其特征尺寸。如图1所示：相较于Sample-1，Sample-2具有更小的胞状直径、更高的基体元素含量、以及更小的沉淀颗粒尺寸。这为展示力学性能及揭示作用机理提供了良好的对比条件。

胞状基体内部亚结构：（a-b）胞状基体HAADF图像和局部放大的沉淀颗粒BF图像；（c1-c2）基体中沉淀颗粒和固溶元素的TEM-EDS图像；（d）固溶元素含量统计对比；（e1-e2）沉淀颗粒形态和尺寸测量；（f）沉淀颗粒尺寸统计对比

L-DED制备的AlSi10Mg合金胞状尺寸可以满足纳米压痕的测试，而避免周围共晶Si颗粒的影响，如图2所示。在胞状基体直接进行压痕循环测试，消除压痕尺寸效应（ISE）的干扰，利用Nix-Gao公式对数据进行拟合，从而得到基体真实的弹性模量及硬度。结果表明，包含更多沉淀颗粒及固溶元素的Sample-2，其基体模量和硬度更高，在相同压痕测试下展现出更强的变形抗力。循环压痕测试不仅获得了基体力学性质，还为基于真实微观组织的力学模拟提供了必要的材料属性。

胞状基体内的纳米压痕测试：（a, f）压痕的AFM图像；（b, g）单个压痕的放大SPM图像；（c, h）循环载荷-深度（P-h）曲线；（d, i）硬度-深度（H-h）曲线；（e, j）根据Nix-Gao模型绘制的基体硬度-深度依赖性曲线

利用微观拉伸测试技术对胞状基体在外力作用下的演化规律和行为特点进行了原位观察，如图3所示。尽管两组试样具有相似的胞状结构，但由于基体力学性质的巨大差异，造成二者力学行为的显著不同：对于Sample-1，胞状边界共晶Si颗粒与α-Al基体的弹塑性差异很大，导致共晶Si在外力作用下极易开裂，并成为裂纹萌生和扩展的主要通道，致使合金宏观延伸率较低、塑性较差；相比之下，Sample-2基体硬度提升，从而缩小了与胞状边界的弹塑性差异，使得裂纹不再优先沿共晶Si扩展，反而在较软的α-Al基体内部产生更多的滑移带和微裂纹，延缓了断裂失效，大大提升合金的拉伸塑性。

胞状基体在原位拉伸下的微观组织演变：（a, d）原位拉伸载荷-位移（F-s）曲线；（b1-b3, e1-e3）裂纹萌生、扩展和断裂的SEM图像；（c, f）裂纹扩展示意图对比

本文首次基于真实微观组织形貌、材料属性进行力学行为的代表体积元模拟，如图4所示。从模拟结果的应力云图可以直观地看出，相较于Sample-1，Sample-2中基体硬度的提升使其具备了更强的承担载荷能力：在应变相同的情况下（ε = 3%），Sample-2基体中的应力值更高，从而削弱了胞状边界的应力集中，使其不再成为裂纹萌生和扩展的敏感区域；当胞状边界应力值提升到较高水平时（ε = 6%），胞状基体中的应力也相应提升，从而使得合金整体宏观强度大大提升。

因此，胞状内部基体强度提高，不仅可以有效延迟裂纹萌生与扩展，提高合金塑性，还可以促进加工硬化效应，提升合金整体强度。

基于真实微观组织的力学行为模拟：（a1-a3）Sample-1中应力分配和演化；（b1-b6）Sample-2中应力分配和演化；（c）Mises有效应力色条；（d）不同应变下应力值及比例

总结

西北工业大学林鑫教授团队面向国家重大战略需求中的重大科学问题，积极开展“1→0”的反向应用基础研究，从产业需求和实际应用出发，凝练出重大基础科学问题、抽象出重要理论探寻，进而揭示科学规律，使基础研究和应用研究相互促进。本工作的研究价值，不仅在于揭示了胞状基体在力学行为中的作用，还为激光增材制造钛合金与铝合金等高性能材料的异构组织调控及强韧化机制提供了重要参考，有助于推动增材制造合金材料在航空航天等高端装备领域的工程化应用。

本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和赵宇凡教授；合作研究者为华中科技大学航空航天学院赵吕副教授。该工作得到了国家重点研发计划项目、中央高校基础科研专项基金、陕西省以及西安市科技计划等项目支持。

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