这个团队再发金属顶刊《Acta Materialia》！3D打印铝合金断裂研究
激光粉末熔融技术（laser powder bed fusion, LPBF）作为一种广泛使用的增材制造技术，可以通过细化晶粒而获得更高的机械性能。自下而上的层层加工模式使得材料的显微结构极大地受到加工参数的影响，例如层厚、扫描间隙和扫描策略等。这些参数对不同金属材料强度、塑性和各向异性的影响在学界已被研究证明。但是，对于断裂韧性的研究比较不足，特别是对于各向异性、微观和宏观组织结构是如何控制和影响裂纹在LPBF材料中的产生和扩展，我们了解甚少。
近期澳大利亚新南威尔士大学增材制造团队与德国马普所和新加坡南洋理工大学的研究团队合作，通过改变LPBF加工参数，不仅比较了不同加工材料在两个正交方向上的拉伸性能，还系统地研究了在这两个方向上的断裂韧性控制机制。此研究深度阐述了不同加工参数（层厚、扫描间隙和扫描策略）对材料结构的影响以及进一步对不同方向上断裂失效机制的影响，该研究团队前期提出的基于机器学习和图像处理的新型显微结构特征参数Id与Is也在此文中得到进一步的应用。相关论文以题为“Fracture resistance of AlSi10Mg fabricated by laser powder bedfusion”发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116869
本研究以AlSi10Mg作为研究材料，通过改变LPBF加工参数，研究了其对目标材料显微结构、熔池形态结构以及晶粒结构的影响。特有的材料微观结构方向性导致了加工材料的各向异性。因此，不同的加工参数与性能测试方向被作为本文的主要研究对象，对被加工的样品实施了拉伸与断裂的性能测试，结合结构的微观表征与断口分析，进行了深入的研究。
图1. LPBF制造参数以及样品制造方向示意图。
图2. 不同加工参数导致的AlSi10Mg微观结构的差异。
图3. 不同加工参数导致的AlSi10Mg晶体结构的差异。
本研究的结果表明，层厚和扫描间隙对拉伸性能有着较大的影响，而扫描策略则对材料的断裂韧性有着更大的影响。此外，研究还发现，除了材料的抗断裂曲线（R curve）表现出明显的各向异性外，LPBF技术引入的宏观组织结构（即熔池结构）会使材料的耐损伤、抗断裂性进一步提高，获得了铸造合金无法达到的水平。由于熔池边缘的强度普遍低于熔池内部，在不同断裂测试方向上，裂纹发展机制受宏观熔池结构影响较为明显。
图4. (a)不同加工参数材料的应力应变曲线(b)显微结构表征参数与拉伸性能的关系
图5. 不同加工参数材料在不同测试方向下的断裂曲线和断裂韧性。(a)层厚比较; (b)扫描间隙比较; (c)扫描策略比较; (d)断裂方向比较; (e)综合比较; (f)不同工况下材料的断裂韧性JIC。
图6. (a)长宽比小于0.3的晶粒; (b)柱状晶粒的大小分布;(c)Al-Si 细胞结构和晶粒的关系; (d)在熔池边缘处的纳米压痕硬度测试。
图7. 在XZ方向上的断裂分析表明裂纹发展不仅会穿过熔池，还会受熔池边缘影响进而沿着熔池发展。
图8. 在ZX方向上的断裂分析表明裂纹主要沿着熔池边缘发展。(f)为铸造材料中的裂纹发展情况作为对比。