本文探討了增材制造鋁合金過(guò)程中的各種缺陷，并研究了相關(guān)的方法。

摘要

鋁(Al)合金用于增材制造(AM)最近得到了顯著的關(guān)注，特別是在航空航天行業(yè)。這導(dǎo)致引入了新的高強(qiáng)度鋁合金，該合金與AM工藝更兼容。然而，在將這些新開(kāi)發(fā)的鋁合金用于安全關(guān)鍵承重應(yīng)用之前，研究其結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。本研究調(diào)查并比較了通過(guò)激光束粉末床熔合（LB-PBF）AM工藝制造的五種不同當(dāng)代鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率和疲勞行為。

本研究用AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357制作垂直和水平構(gòu)建的試樣，以捕捉構(gòu)建方向?qū)@些合金結(jié)構(gòu)完整性的任何影響。盡管垂直和水平試樣的微觀/缺陷結(jié)構(gòu)存在差異，但未觀察到AlSi10Mg、Scalmalloy和AD1合金的疲勞行為存在顯著的構(gòu)建方向依賴性。然而，AlF357和QuesTek Al在高周疲勞狀態(tài)下表現(xiàn)出一些各向異性行為。在所研究的LB-PBF鋁合金中，Scalmalloy和AD1具有最高的疲勞抗力，這歸因于它們的超微細(xì)組織。

插圖：圖形摘要

1.介紹

增材制造（AM）正迅速成為一種戰(zhàn)略技術(shù)，在國(guó)防、航空航天、汽車(chē)和生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)行業(yè)產(chǎn)生收入。這些行業(yè)可以從AM的巨大好處中獲得價(jià)值，例如制造具有復(fù)雜幾何形狀的近凈形狀零件、縮短交付周期、因設(shè)計(jì)自由而減少部件重量、潛在成本降低以及環(huán)保生產(chǎn)。除了各種優(yōu)勢(shì)外，AM技術(shù)還面臨許多挑戰(zhàn)。AM工藝獨(dú)特的熱歷史（即高冷卻/凝固速率、熱梯度等）通常會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)各向異性、表面粗糙度，并導(dǎo)致體積缺陷（例如氣孔和未熔合（LOF））的形成。

上圖顯示了光學(xué)應(yīng)用中生長(zhǎng)200mm晶體的模擬溫度和應(yīng)力分布。雖然溫度分布看起來(lái)相當(dāng)均勻，但熱彈性應(yīng)力分布顯示了一個(gè)非常不同的畫(huà)面，高應(yīng)力集中在晶體邊緣，接近固體/熔體界面。很明顯，當(dāng)超過(guò)臨界應(yīng)力水平時(shí)，這將是位錯(cuò)成核的有利位置。

盡管缺陷（如表面粗糙度、孔隙和LoF）對(duì)靜態(tài)性能的影響可能最小，但這些缺陷會(huì)顯著惡化AM零件的疲勞性能。最近的研究報(bào)告，缺陷是AM金屬材料疲勞結(jié)果分散的來(lái)源。工藝誘發(fā)缺陷（即孔隙、LoF）的有害影響不限于AM材料的室溫疲勞行為。在疲勞過(guò)程中，Bao等人報(bào)告的循環(huán)變形會(huì)導(dǎo)致微孔破裂。

目前已經(jīng)進(jìn)行了許多研究來(lái)研究各種AM金屬材料的疲勞行為；這些工作的大部分集中在鈦合金、不銹鋼和鎳超級(jí)合金上。近年來(lái)，鋁合金通過(guò)AM工藝制造零件引起了廣泛關(guān)注。鋁合金以其高強(qiáng)度重量比、足夠的淬透性、良好的耐腐蝕性和優(yōu)異的焊接性而聞名，使其適合廣泛應(yīng)用，特別是在航空航天工業(yè)。然而，與其他材料相比，鋁合金的AM更具挑戰(zhàn)性；鋁粉顆粒本身重量輕，流動(dòng)性差，由于鋁的親水性而吸引水分，并且具有高導(dǎo)熱性。此外，鋁粉顆粒極易氧化，其低熔體粘度促進(jìn)了氣孔的形成。鋁合金制造過(guò)程中的此類問(wèn)題可能導(dǎo)致零件出現(xiàn)缺陷，從而影響其機(jī)械性能，尤其是疲勞性能。

如圖，由于“干”二氧化硅(少于1%的水)的主要變化包括粘度增加(增加50%)，硬度降低和高應(yīng)變模量增加。高粘度和低硬度的結(jié)合可能是水合二氧化硅所特有的，需要加以解釋。在這種情況下，包含硅烷偶聯(lián)效應(yīng)(化合物C)和這三種化合物的掃描電子顯微圖提供了啟示。

與鍛造鋁合金（如AA6061，A7075）相比，鋁硅鑄造合金（如AlSi10Mg）通常更容易通過(guò)AM進(jìn)行加工。有相當(dāng)多的論文介紹了影響AM AlSi10Mg疲勞性能的各種參數(shù)。Jian等人研究了粉末粒度對(duì)激光束粉末床熔融（LB-PBF）AlSi10Mg的高周疲勞（HCF）和超高周疲勞（VHCF）行為的影響。結(jié)果表明，在非熱處理（NHT）條件下，使用較小的粉末顆?？山档涂紫抖龋瑥亩岣週B-PBF AlSi10Mg的疲勞強(qiáng)度。

Wu等人研究了體積缺陷尺寸和數(shù)量以及LoF缺陷相對(duì)于加載方向的方向?qū)B-PBF AlSi10Mg疲勞各向異性行為的影響。與加載方向垂直于構(gòu)建方向的情況相比，當(dāng)加載方向平行于構(gòu)建方向時(shí)，報(bào)告的延性和疲勞強(qiáng)度較低。這歸因于LoF缺陷在垂直于加載方向的平面上的投影面積大小，當(dāng)加載方向平行于構(gòu)建方向時(shí)，投影面積更大。

Maskery等人研究了熱處理的效果，并報(bào)告了進(jìn)行T6熱處理(即，520?固溶1h，水淬，然后160?空冷時(shí)效6h)可提高LB-PBF AlSi10Mg的延展性和抗疲勞性。此外，Ngnekou等人發(fā)現(xiàn)，t6型熱處理(即在540?C下固溶8h，然后在160?C風(fēng)冷時(shí)效10h)提高了ma材料的抗疲勞性能。結(jié)果表明，LB-PBF AlSi10Mg的疲勞性能存在結(jié)構(gòu)取向依賴性。

這與不同構(gòu)建方向的缺陷特征（即尺寸、形狀、頻率等）以及應(yīng)用T6型熱處理后材料對(duì)缺陷存在的敏感性增加有關(guān)。LB-PBF AlSi10Mg的EOS數(shù)據(jù)表表明，T6型熱處理可能不是該材料的最佳選擇。傳統(tǒng)的T6熱處理對(duì)于某些砂型鑄造鋁合金（如AlSi7Mg0.6）來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榭赡軙?huì)形成起泡氫氣孔。因此，EOS建議僅進(jìn)行應(yīng)力消除，而非T6熱處理。

超聲波檢測(cè)(UT)技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)廣泛應(yīng)用于WT塔架和葉片的結(jié)構(gòu)評(píng)估如圖，超聲波傳播特性可以對(duì)檢測(cè)到的缺陷的位置和類型進(jìn)行估計(jì)，從而為確定渦輪主要部件的材料性能提供了可靠的方法。

文獻(xiàn)中對(duì)AM-AlSi7Mg的疲勞行為也有有限的研究；Lesperance等人利用超聲波檢測(cè)研究了LB-PBF AlSi7Mg的VHCF行為，并將結(jié)果與鑄造A356合金的結(jié)果進(jìn)行了比較，并報(bào)告了類似的VHCF行為。另一種AM鋁合金是A357，它是A356合金的改進(jìn)版，具有更高的強(qiáng)度；雖然有一些關(guān)于LB-PBF A357的工藝優(yōu)化和微觀結(jié)構(gòu)表征的研究，但文獻(xiàn)中關(guān)于該合金疲勞性能的研究并不多。

在一項(xiàng)研究中，Bassoli等人研究了LB-PBF AlA357在NHT條件下的疲勞行為，并報(bào)告了與LB-PBF AlSi10Mg合金類似的疲勞行為。最近，ALP357合金（AlA357合金的無(wú)鈹衍生物）也被引入AM社區(qū)。然而，本研究文獻(xiàn)中沒(méi)有關(guān)于疲勞的數(shù)據(jù)。

Scalmalloy由空中客車(chē)APWorks引入，是最近開(kāi)發(fā)的AM用鋁合金之一。該合金具有高屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度，同時(shí)具有可接受的延展性，因?yàn)槠洫?dú)特的微觀結(jié)構(gòu)由納米尺寸的晶粒和納米尺寸的Al3（Sc，Zr）沉淀組成。文獻(xiàn)中只有少數(shù)關(guān)于Scalmalloy疲勞行為的研究表明，LB-PBF Scalmalloy的疲勞性能優(yōu)于LB-PBF AlSi10Mg。

Muhammad等人最近比較了LB-PBF AlSi10Mg、Scalmalloy和QuesTek Innovations LLC開(kāi)發(fā)的一種新鋁合金的疲勞性能。他們報(bào)告稱，與其他鋁合金相比，Scalmalloy具有更高的抗疲勞性，這歸因于其更高的韌性（即高的抗拉強(qiáng)度和延展性）歸因于其獨(dú)特的納米尺寸微觀結(jié)構(gòu)。

雙相不銹鋼熱影響區(qū)組織比較。蝕刻:電解硫酸:(a)舊(低氮)，× 63;(b)現(xiàn)代(高氮)，× 100。焊接冶金在雙相不銹鋼的合金發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。早期品系碳含量較高，易形成富鐵氧體熱影響區(qū)(HAZ)。盡管這些高碳水平導(dǎo)致了一些奧氏體的重組，但這也導(dǎo)致了碳化物的析出和抗晶間腐蝕(IGC)的損失。后期品系的碳含量較低，但高Cr/Ni比值增強(qiáng)了熱影響區(qū)富鐵素體組織，促進(jìn)了晶粒的生長(zhǎng)。

考慮到AM合金的不斷發(fā)展，特別是Al合金具有不同的微觀組織特征(如晶粒形態(tài)和尺寸、析出相等)，根據(jù)美國(guó)制造商和ANSI增材制造標(biāo)準(zhǔn)化合作組織（AMSC）編制的AM標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，對(duì)其疲勞性能 mante進(jìn)行研究，對(duì)于填補(bǔ)FMP1在“材料性能”方面的空白至關(guān)重要。根據(jù)這一目標(biāo)，本研究旨在研究某些當(dāng)代LB-PBF鋁合金疲勞性能中的潛在各向異性，并將其與微觀/缺陷結(jié)構(gòu)（即微觀結(jié)構(gòu)和微觀尺度上的缺陷結(jié)構(gòu)）相關(guān)聯(lián)。

由于存在體積缺陷，這些具有不同微觀結(jié)構(gòu)特征（即晶粒結(jié)構(gòu)、沉淀等）且通常具有更好拉伸強(qiáng)度的合金可能具有或可能不具有更好的疲勞性能。此外，已經(jīng)證明零件經(jīng)歷的熱歷史在不同的構(gòu)建方向上是不同的，這可能導(dǎo)致由于缺陷類型、尺寸和總體的變化而導(dǎo)致機(jī)械行為的各向異性。因此，有必要對(duì)不同構(gòu)造取向的LB-PBF Al試樣進(jìn)行數(shù)據(jù)生成和疲勞性能評(píng)價(jià)。

本文按以下順序組織：第2節(jié)詳細(xì)介紹了材料和方法。第3節(jié)介紹了試驗(yàn)結(jié)果，包括微觀/缺陷結(jié)構(gòu)分析和疲勞數(shù)據(jù)。第4節(jié)討論了LB-PBF鋁合金的疲勞行為，并將其與微觀/缺陷結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。最后，根據(jù)本研究中的實(shí)驗(yàn)觀察得出一些結(jié)論，并在第5節(jié)中列出。

2.材料和方法

2.1. 鋁合金

在本研究中，使用五種不同的預(yù)合金化氣體霧化鋁粉來(lái)制備試樣；表1列出了每種合金的化學(xué)成分、粉末粒度范圍和粉末制造商，粉末顆粒的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖1所示。但是，為保密起見(jiàn)，未列出AD1的詳細(xì)化學(xué)成分；AD1是一種新開(kāi)發(fā)的經(jīng)熱處理后具有高強(qiáng)度的Al-Mg-Zr合金。AlF357是AlA357和AlA356的一種不含鈹?shù)难苌?，其開(kāi)發(fā)目的是避免環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)，與AlA357合金相比強(qiáng)度略有降低。據(jù)報(bào)道，QuesTek Al是一種高強(qiáng)度、高耐腐蝕、低成本的合金（因?yàn)樗缓嘿F的合金元素）。

表1 本研究中使用的鋁粉的化學(xué)成分由相應(yīng)的粉末制造商報(bào)告。

圖1 LB-PBF鋁粉顆粒的SEM圖像:(a) AlSi10Mg，(b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al，(d) AD1， (e) AlF357。

2.2. 試樣制作

試樣在氬氣保護(hù)下通過(guò)LB-PBF工藝EOS M290制備。必須指出的是，EOS推薦的工藝參數(shù)用于AlSi10Mg、AD1和AlF357合金，而用于制造Scalmalloy和QuesTek Al的工藝參數(shù)不一定是最優(yōu)化的。Scalmalloy使用的工藝參數(shù)根據(jù)進(jìn)行了修改，QuesTek InnovationsLLC針對(duì)EOS M280建議了QuesTek Al的工藝參數(shù)，如表2所示。必須注意的是，為保密起見(jiàn)，未提供其他合金的詳細(xì)默認(rèn)EOS工藝參數(shù)。然而，所有合金都采用了類似的條帶掃描策略。

表2 本研究中所研究的每種鋁合金的LB-PBF工藝參數(shù)。

垂直試樣直接沉積到構(gòu)建板上，而水平試樣則在支撐結(jié)構(gòu)頂部制造。構(gòu)建布局以及粉末擴(kuò)散和氬氣流動(dòng)方向如圖2（a）所示。所有試樣在制造后均采用表3所列每種合金的推薦程序進(jìn)行熱處理。根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)表，LB-PBF AlSi10Mg的熱處理程序采用了AlF357，報(bào)告為這些合金的最佳熱處理。QuesTek Innovations LLC.和EOS分別建議LB-PBF QuesTek Al和AD1的熱處理程序。

圖2 (a)結(jié)構(gòu)布局圖，以及(b)按照ASTM E606加工疲勞試樣后的最終幾何圖形圖(注意，尺寸為' mm '，所示的結(jié)構(gòu)方向?qū)?yīng)于垂直試樣)。

表3 LB-PBF Al試樣后處理采用的熱處理工藝。采用了AlSi10Mg、Scalmalloy和QuesTek鋁合金的熱處理工藝，采用AlF357的熱處理工藝，EOS提出了AD1的熱處理工藝。

對(duì)于Scalmalloy合金，應(yīng)用的熱處理程序已被報(bào)告為該合金的最佳熱處理，從而產(chǎn)生最高的抗拉強(qiáng)度和可接受的延展性。熱處理LB-PBF鋁合金的拉伸性能采用文獻(xiàn)中的兩種構(gòu)建方向（即垂直和水平），并在表4中列出。

表4 LB-PBF Al合金的拉伸性能參考文獻(xiàn)，熱處理工藝如表3所示。請(qǐng)注意，AD1的屬性已由EOS提供。

LB-PBF AlSi10Mg、Scalmalloy和QuesTek Al的熱處理溫度均低于其溶質(zhì)電離溫度（即450–575攝氏度）。然而，AlF357合金經(jīng)歷了T6兩階段熱處理，包括溶質(zhì)化和時(shí)效程序。在將試樣從預(yù)制板上取下之前進(jìn)行熱處理，以避免在切割過(guò)程中由于殘余應(yīng)力而變形。采用熱電偶控制的箱式爐在氬氣氣氛下進(jìn)行熱處理，將構(gòu)建板從室溫加熱到目標(biāo)溫度，以避免氧化。熱處理后，將試樣從成型板上切割下來(lái)，并按照ASTM E606[43]的要求，進(jìn)一步加工成圓柱形試樣的最終幾何形狀，以進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，如圖2（b）所示。

2.3. 微缺陷結(jié)構(gòu)表征

通過(guò)電子背散射衍射（EBSD）分析，在平行和垂直于構(gòu)建方向的平面上對(duì)LB-PBF鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。在進(jìn)行EBSD分析之前，對(duì)試樣進(jìn)行切割、研磨和拋光。使用蔡司550橫梁FIB/SEM和牛津EBSD檢測(cè)器進(jìn)行EBSD分析。掃描采用1200倍放大時(shí)的步長(zhǎng)為μm，使用Oxford的AzTecCrystal軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。使用蔡司XRIDIA 620系統(tǒng)進(jìn)行X射線CT掃描，以可視化制造零件內(nèi)的體積缺陷。掃描是在6.5mm長(zhǎng)度的機(jī)器疲勞試樣的量規(guī)部分的中間進(jìn)行的。

2.4. 疲勞試驗(yàn)和斷口分析

單軸完全反轉(zhuǎn)（Rε=εmin/εmax=?1）應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)是根據(jù)ASTM E606標(biāo)準(zhǔn)，使用MTS landmark伺服液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的，該試驗(yàn)機(jī)具有100千牛稱重傳感器。對(duì)兩種不同的應(yīng)變振幅水平0.002進(jìn)行疲勞試驗(yàn)毫米/毫米和0.003毫米/毫米。為了控制試驗(yàn)并測(cè)量應(yīng)變計(jì)部分的應(yīng)變，在兩個(gè)涂有丙烯酸涂層的位置將MTS機(jī)械伸長(zhǎng)計(jì)連接到應(yīng)變計(jì)部分，以避免伸長(zhǎng)計(jì)葉片的任何滑動(dòng)和劃痕。為確保結(jié)果的確定性，在每種材料的每個(gè)應(yīng)變振幅水平上進(jìn)行了三次試驗(yàn)。為了研究失效機(jī)理，對(duì)所選試樣的斷裂面進(jìn)行了斷口分析。在進(jìn)行斷口分析之前，對(duì)斷口表面進(jìn)行了超聲波處理和清潔。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)介紹了所研究LB-PBF鋁合金微觀/缺陷結(jié)構(gòu)和疲勞行為的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果。通過(guò)斷口分析研究了這些合金的疲勞失效機(jī)理。第4節(jié)進(jìn)一步討論了這些鋁合金的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。

3.1. LB-PBF鋁合金的顯微組織

熱處理垂直和水平LB-PBF鋁試樣的微觀結(jié)構(gòu)表征結(jié)果如圖3所示。該圖中的示意圖顯示了垂直和水平試樣微觀結(jié)構(gòu)特征所在的平面。此處給出的XYZ坐標(biāo)基于中建議的坐標(biāo)；構(gòu)建方向也由平行于Z軸的黑色箭頭顯示。逆極點(diǎn)圖（IPF）貼圖顯示在XY平面（即垂直于構(gòu)建方向）和XZ平面（即平行于構(gòu)建方向）上。

圖3 垂直和水平LB-PBF Al試樣的顯微組織以及(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357的IPF組。

垂直試樣的微觀結(jié)構(gòu)顯示在XY和XZ平面上，而水平試樣的微觀結(jié)構(gòu)僅顯示在XZ平面上；由于圓形橫截面，將試樣從構(gòu)建平臺(tái)上移除后，不容易找到水平試樣的精確XY平面（即垂直于構(gòu)建方向）。平行于X、Y和Z軸的IPF組顯示在相應(yīng)的貼圖下方，以捕捉晶粒沿不同方向的結(jié)晶取向。

不同構(gòu)建方向的示意圖中也顯示了加載方向。必須注意，垂直試樣的加載方向平行于Z軸（即平行于IPF圖所示晶粒的結(jié)晶方向），而水平試樣的加載方向平行于Y軸（即垂直于IPF圖所示晶粒的結(jié)晶方向）。因此，為了將加載方向與晶粒的晶體取向相關(guān)聯(lián)，應(yīng)分析垂直試樣平行于Z軸的IPF和水平試樣平行于Y軸的IPF。

3.1.1. 顆粒結(jié)構(gòu)

對(duì)于所有LB-PBF鋁合金，即使在進(jìn)行熱處理后，也可以觀察到AM工藝誘發(fā)的典型晶粒結(jié)構(gòu)，即柱狀晶粒和主要圍繞熔池邊界的等軸晶粒（見(jiàn)圖3）。發(fā)現(xiàn)垂直和水平LB-PBF鋁試樣在XZ平面（即平行于構(gòu)建方向）上的晶粒結(jié)構(gòu)非常相似。

同樣，XY平面上的晶粒結(jié)構(gòu)（參見(jiàn)圖3中的第一列）預(yù)計(jì)在垂直和水平試樣中類似，包括在XZ平面上看到的柱狀晶粒的等軸視圖。LB-PBF AlSi10Mg（見(jiàn)圖3（a））的晶粒結(jié)構(gòu)與QuesTek Al（見(jiàn)圖3（c））和AlF357（見(jiàn)圖3（e））合金的晶粒結(jié)構(gòu)相似，主要包括拉長(zhǎng)的柱狀晶粒以及XZ平面上熔體池邊界周?chē)牡容S晶粒和XY平面上的等軸晶粒。

可以看出，與其他合金相比，Scalmalloy（圖3（b））和AD1（圖3（d））具有超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，包括超細(xì)/納米尺寸的等軸晶粒以及更細(xì)化的柱狀晶粒。然而，LB-PBF AD1合金微觀結(jié)構(gòu)中的等軸晶粒（圖3（d））不限于熔池邊界周?chē)膮^(qū)域，這是Scalmalloy的情況。此外，AD1中的柱狀晶粒似乎比Scalmalloy中的柱狀晶粒更細(xì)。這可能是由于Scalmalloy和AD1的化學(xué)成分不同，以及用于制造這些合金的工藝參數(shù)不同。

值得注意的是，Scalmalloy和AD1微觀結(jié)構(gòu)中的黑色區(qū)域（分別為圖3（b）和（d））歸因于熔體池周?chē)哂屑{米尺寸晶粒的區(qū)域，其無(wú)法用EBSD掃描所用的步長(zhǎng)來(lái)表征。LB-PBF Scalmalloy和AD1（Al-Mg-Zr合金）中的超細(xì)/納米尺寸等軸晶粒是由于存在一致的納米尺寸Al3Sc和Al3Zr沉淀物形成的，這些沉淀物作為晶粒生長(zhǎng)抑制劑以及異質(zhì)晶粒形核位置。

使用EBSD進(jìn)行粒度分析，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯怪焙退皆嚇又g的粒度沒(méi)有差異（標(biāo)準(zhǔn)偏差誤差條也重疊）。LB-PBFScalmalloy和AD1試樣具有幾乎相同的平均晶粒尺寸（注意，納米尺寸晶粒，圖3中IPF圖中的黑色區(qū)域不包括在內(nèi)），與其他合金相比，其更細(xì)。LB-PBF AlSi10Mg、QuesTek Al和AlF357的晶粒尺寸幾乎相似。

圖4 垂直和水平LB-PBF Al試樣的平均晶粒尺寸。標(biāo)準(zhǔn)偏差誤差棒也包括在內(nèi)。

3.1.2. 晶粒的晶體學(xué)取向

總的來(lái)說(shuō)<001> 是立方結(jié)構(gòu)材料（即面心立方（FCC）和體心立方（BCC））中的首選晶粒生長(zhǎng)方向，也是大多數(shù)AM材料在非熱處理（NHT）條件下的著名晶粒取向之一。這主要是由于高冷卻速率和朝向構(gòu)建平臺(tái)的傳導(dǎo)熱傳遞導(dǎo)致外延晶粒生長(zhǎng)。

LB-PBF鋁合金晶粒的結(jié)晶取向平行于構(gòu)建方向，可從圖3中的IPF//Z軸觀察到?？梢钥闯?，AlSi10Mg（圖3（a）中的垂直和水平）和Scalmalloy（圖3（b）中的垂直和水平）具有<001> 首選晶粒取向，而QuesTekAl（圖3（c）中的垂直和水平）和AD1（圖3（d）中的垂直和水平）中的晶粒幾乎是隨機(jī)取向的。對(duì)于AlF357合金（圖3（e）），垂直試樣的<001>-定向晶粒，而水平試樣幾乎具有隨機(jī)定向晶粒，且紋理較弱（即垂直試樣的強(qiáng)度為2.57，而水平試樣的強(qiáng)度為1.8）。

必須注意的是，對(duì)AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al和AD1進(jìn)行的熱處理低于溶質(zhì)化溫度，被視為應(yīng)力消除熱處理，預(yù)計(jì)不會(huì)改變晶粒的晶體結(jié)構(gòu)。因此，晶粒的晶體取向仍然是從制造過(guò)程中繼承的。然而，據(jù)報(bào)道，高熱量輸入，換句話說(shuō)，較低的冷卻/凝固速率，可能會(huì)在制造過(guò)程中改變晶粒的晶體取向。然而，對(duì)于AlF357合金，晶粒的晶體取向和織構(gòu)強(qiáng)度可能受到所采用的熱處理程序的影響（即，先溶解，然后時(shí)效）。

3.2. LB-PBF鋁合金的缺陷結(jié)構(gòu)

圖5顯示了垂直和水平LB-PBF鋁試樣計(jì)量截面中6.5 mm長(zhǎng)X 5 mm直徑體積的X射線CT掃描結(jié)果和缺陷密度（即缺陷的累積體積百分比）。從圖5可以看出，與垂直試樣相比，AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al和AlF357合金的水平試樣具有更高水平的體積缺陷。這可能歸因于垂直和水平試樣經(jīng)歷的熱歷史變化。

圖5 X射線CT結(jié)果來(lái)自疲勞試樣的尺寸截面上6.5 mm長(zhǎng)X 5mm直徑的體積，顯示垂直和水平LB-PBF Al試樣的孔隙率:(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)(f)。

然而，垂直和水平Scalmalloy和AD1試樣的缺陷密度變化較?。贿@可歸因于這些合金的熱性能（例如，熱擴(kuò)散率、熱導(dǎo)率）。據(jù)報(bào)道，與Al-Si合金系統(tǒng)相比，Al-Mg-Zr合金具有較低的熱擴(kuò)散率，因此導(dǎo)熱系數(shù)約低約30%。這種較低的熱導(dǎo)率可能是垂直方向和水平方向之間的缺陷密度變化比其他合金小的原因（見(jiàn)圖5）。

對(duì)于Scalmalloy也報(bào)告了類似的相對(duì)較低的導(dǎo)熱系數(shù)（比Al-Si合金低約30%）。然而，必須考慮的是，用于制造Scalmalloy的工藝參數(shù)不一定是最優(yōu)化的，這導(dǎo)致這些試樣中的孔隙率較高。同時(shí)，與AlSi10MgQuesTek Al和AlF357相比，垂直和水平Scalmalloy試樣之間的缺陷密度變化較小。

根據(jù)圖5（f）所示的結(jié)果，AlSi10Mg和AD1合金最有可能具有最佳工藝參數(shù)，因?yàn)榕c其他鋁合金相比，它們的缺陷密度要小得多。雖然使用了優(yōu)化的工藝參數(shù)，但在AlF357中觀察到高缺陷密度，這可能是由于其高導(dǎo)熱性。此外，通過(guò)進(jìn)行T6熱處理，AlF357中的孔隙率可能已增加。

Devanti等人報(bào)告了LB-PBF AlA357合金經(jīng)過(guò)T6熱處理后體積缺陷的形成甚至擴(kuò)大，該合金與AlF357非常相似。必須注意的是，QuesTek Al試樣中的高缺陷密度歸因于這樣一個(gè)事實(shí)，即用于該合金的工藝參數(shù)不一定是最優(yōu)化的。然而，Muhammad等人報(bào)告了LB-PBF QuesTek al和Scalmalloy的可接受疲勞行為，其制造工藝參數(shù)與本研究中使用的工藝參數(shù)類似。

垂直和水平LB-PBF鋁試樣的體積缺陷尺寸分布如圖6所示。體積缺陷通過(guò)總掃描體積進(jìn)行歸一化。值得一提的是，在本研究中掃描的所有LB-PBF鋁試樣中均觀察到氣體滯留孔和LoF缺陷。然而，為了簡(jiǎn)單和比較，在本研究中，對(duì)于氣體截留孔隙或LOF，缺陷的等效球形體積的直徑被視為體積缺陷的大小。

圖6 (a)垂直和(b)水平LB-PBF Al試樣的體積缺陷尺寸分布。

可以看到，在所有的鋁合金中，大多數(shù)缺陷的尺寸范圍為[20?30)μm(注意，本研究中沒(méi)有考慮小于20μm的缺陷)，特別是Scalmalloy、QuesTek Al和ALF357。然而，疲勞裂紋傾向于從較大的缺陷開(kāi)始。從圖6(a)可以看出，垂直試樣中Scalmalloy和AlF357的缺陷大于40μm，而掃描的QuesTek和AD1試樣沒(méi)有任何大于40μm的缺陷。

AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357掃描試樣的最大缺陷尺寸分別為41、49、36、35、58μm。對(duì)于圖6(b)所示的水平試樣，雖然所有掃描試樣均存在大于40μm的缺陷，但QuesTek Al和AlF357的缺陷較大。AlSi10Mg、Scal malloy、QuesTek Al、AD1和AlF357水平掃描試樣的最大缺陷尺寸分別為46、51、47、47、49μm。

3.3.循環(huán)變形和疲勞行為

圖7顯示了從LB-PBF鋁合金的單軸完全反向應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)中獲得的穩(wěn)定應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線。在0.002下進(jìn)行的試驗(yàn)的遲滯回線毫米/毫米和0.003垂直和水平構(gòu)建方向分別顯示了mm/mm應(yīng)變振幅。對(duì)于0.002下的疲勞試驗(yàn)mm/mm應(yīng)變幅度（見(jiàn)圖7（a）），除AlSi10Mg外，所有LB-PBF鋁合金在垂直和水平構(gòu)建方向上均表現(xiàn)出彈性行為。

圖7 在(a) 0.002 mm/mm應(yīng)變幅值和(b) 0.003 mm/mm應(yīng)變幅值下，完全反向應(yīng)變控制的LB-PBF Al試樣恒幅疲勞試驗(yàn)的穩(wěn)定滯回線。

這是因?yàn)?.002處的應(yīng)力響應(yīng)mm/mm應(yīng)變振幅遠(yuǎn)低于表4中列出Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357的屈服強(qiáng)度。然而，AlSi10Mg在該應(yīng)變振幅水平下的應(yīng)力響應(yīng)（即0.002mm/mm）接近其屈服強(qiáng)度（見(jiàn)表4），導(dǎo)致輕微塑性變形。

對(duì)于0.003下的疲勞試驗(yàn)mm/mm應(yīng)變幅度（見(jiàn)圖7（b））、LB-PBF Scalmalloy、QuesTek Al和AD1表現(xiàn)出彈性行為，而AlSi10Mg和AlF357合金表現(xiàn)出塑性變形。可以看出，AlSi10Mg的塑性變形量高于AlF357。此外，與垂直試樣相比，水平試樣中AlSi10Mg和AlF357的塑性變形略高。這可歸因于垂直和水平試樣中晶粒相對(duì)于加載方向的結(jié)晶取向。

表5列出了不同構(gòu)建方向的LB-PBF鋁合金的疲勞結(jié)果，圖8繪制了每個(gè)合金在垂直和水平構(gòu)建方向的應(yīng)變-壽命疲勞數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯琇B-PBF AlSi10Mg（圖8（a））和AlF357（圖8（e））的垂直和水平試樣之間的疲勞性能變化不大。對(duì)于高強(qiáng)度合金（見(jiàn)表4）；i、 例如，Scalmalloy、QuesTek Al和AD1，雖然在較高應(yīng)變幅度下沒(méi)有太大變化，但在較低應(yīng)變幅度0.002下，疲勞壽命存在一些分散性毫米/毫米（見(jiàn)圖8（b）-（d））。

表5 本研究獲得的LB-PBF Al合金單軸全反向應(yīng)變控制疲勞數(shù)據(jù)，以及每個(gè)試件的裂紋引發(fā)缺陷的信息(即尺寸、類型和位置)。

圖8垂直和水平LB-PBF Al試樣的應(yīng)變壽命疲勞比較:(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357。

可以看出，在0.002 mm/mm應(yīng)變幅值下，AlSi10Mg(圖8(a))和AlF357(圖8(e))的垂直和水平試件均未出現(xiàn)107次反轉(zhuǎn)(在本研究中視為跳變)。當(dāng)應(yīng)變幅值為0.002mm/mm時(shí)，垂向試樣的疲勞壽命較短;3個(gè)垂直試樣中有2個(gè)未達(dá)到跳動(dòng)，而3個(gè)水平QuesTek Al試樣的逆轉(zhuǎn)次數(shù)均超過(guò)107次。

對(duì)于Scalmalloy(圖8(b))、一個(gè)水平試樣和AD1(圖8(d))，一個(gè)垂直試樣在107次反轉(zhuǎn)前失效，而其他所有垂直和水平試樣在0.002 mm/mm應(yīng)變幅值時(shí)均達(dá)到跳動(dòng)。LB-PBF Scalmalloy、quest stek Al和AD1合金疲勞壽命的分散可能是由于其相對(duì)較高的強(qiáng)度使其在循環(huán)載荷下更容易受到缺陷的影響。

來(lái)源：microstructure, porosity, and fatigue behavior，Additive Manufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2021.102292

參考文獻(xiàn)：X. Zhang, E. Liang，metal additive manufacturing in aircraft: current application, opportunities and challenges，IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 493 (2019), Article 012032