《NPG Asia Materials》封面文章：3D打印高強(qiáng)高塑形銀合金

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：金屬增材制造的制品往往呈現(xiàn)出較好的機(jī)械性能。然而，這些制品常常會由于存在缺陷（如氣孔和未熔顆粒）而在服役時發(fā)生前期失效，從而成為裂紋發(fā)生的萌生源。裂紋會沿著晶界或晶間含有連續(xù)脆性二次相的地方而擴(kuò)展。

華南理工大學(xué)的最新研究報道了選區(qū)激光熔化制品的早期失效機(jī)理。SLM制造Ag-Cu-Ge合金的次級顯微組織表明半共格析出相呈不連續(xù)分布，但沿著胞狀晶邊界周期排列。打印的Ag-Cu-Ge合金的強(qiáng)度可以達(dá)到410±3MPa，延伸率可以達(dá)到16±0.5%。這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同等成分的鑄造合金和退火狀態(tài)的合金。SLM周期性結(jié)構(gòu)并呈等級分布的析出相和高密度的內(nèi)部缺陷會導(dǎo)致較高的應(yīng)變硬化速率和較強(qiáng)的硬化強(qiáng)度，這可以從析出相的孿生和在內(nèi)部缺陷的富集來證明。這些缺陷主要有位錯、堆垛層錯和孿生。然而，樣品在縮頸之前的斷裂是由于在缺陷處使斷裂得到加速。該項工作為增材制造超高強(qiáng)度和超高塑性材料并且可以預(yù)防早期失效提供了一個可能的途徑。該工作由華南理工發(fā)表在頂刊《NPG Asia Materials》上并作為封面文章來發(fā)表。

《NPG Asia Materials》 的封面

圖1 SLM Ag-Cu-Ge合金時的典型組織

a，b：SEM觀察到的粗大等軸晶和柱狀晶；c 典型的柱狀晶且不連續(xù)的富Cu析出相的示意圖；d TEM電鏡觀察到的不連續(xù)的富Cu析出相且周期性排列；e TEM觀察到的沿胞晶和晶界分布的位錯；f TEM照片和相應(yīng)地不連續(xù)富Cu析出相的EDS圖
增材制造技術(shù)，尤其是SLM技術(shù)在近年來引起了人們的廣泛關(guān)注并取得了巨大的發(fā)展。其打印出來的產(chǎn)品往往具有較高的強(qiáng)度。然而，增材制造的產(chǎn)品往往是各向異性的、顯微組織在不同區(qū)域也不一致、形貌在不同尺度下也存在差別。舉例來說，SLM的典型特征，如熔道在宏觀和微觀角度下觀察會有差別，其組成相以及分布在微觀角度和納米尺度也存在差別。顯微組織在長度方向上基本是典型的各向異性，尤其是在樣品存在加熱的條件下沿長度方向的變化就更加明顯。這一顯微組織在長度方向上的各向異性導(dǎo)致SLM制品的機(jī)械性能難以預(yù)測。此外，SLM樣品還存在由于快速冷卻和快速加熱而形成非平衡相。盡管SLM制品的強(qiáng)度會比同等材料要高，但經(jīng)常會在沒有達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度之前就發(fā)生失效，即早期失效。這現(xiàn)象在制造Al-12Si和AlMgSi時尤其明顯，其工作硬化曲線并不同應(yīng)力-應(yīng)變曲線相一致，表明該材料在縮頸前即發(fā)生失效。內(nèi)部缺陷的高密度和引入的新的缺陷對材料未達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度即發(fā)生失效起到非常重要的作用，此時的SLM盡管有較大的拉伸與斷裂強(qiáng)度，也會如此。這一行為稱之為早期失效，而且大多數(shù)SLM材料均有在縮頸前失效的現(xiàn)象，即使是理論上有較大強(qiáng)度的材料也可能如此。前期失效產(chǎn)生的原因是由于存在氣孔、未熔顆粒等缺陷作為裂紋的萌生源，然后裂紋沿晶界或胞界擴(kuò)展。SLM制造的材料呈現(xiàn)典型的獨(dú)特的非穩(wěn)胞狀組織，如SLM Al-12Si、AlSi10Mg、CoCrMo和316L。胞晶邊界被稱之為層層的連接紐帶，從而會加速裂紋的擴(kuò)展。為了充分發(fā)揮SLM技術(shù)在高強(qiáng)度方面的優(yōu)勢、非常有必要研究早期失效的原因并獲得降低早期失效的措施，對充分發(fā)揮SLM的優(yōu)勢并讓SLM迅速成為未來有競爭力的制造工藝非常關(guān)鍵。

圖2 SLM Ag-Cu-Ge的機(jī)械行為

在這里，我們報道了增材制造時早期失效的機(jī)制。選用Ag-Cu-Ge進(jìn)行實驗。這是因為Ag-Cu合金由于Cur含量較少而不會形成復(fù)雜的金屬間化合物相，而且Cu-Ge則大概率會形成Cu3Ge和/或Cu5Ge相，從而在Ag基體中析出。因此，復(fù)雜的金屬間化合物相的析出以及他們所帶來的危害就可以避免。研究了早期失效的內(nèi)在機(jī)制并設(shè)計了一個路線圖來避免SLM中的制品發(fā)生早期失效。Ag-7.3wtCu中添加1±0.2wt%的Ge能促進(jìn)Cu/Ge在初生Ag中的共分離。共晶α+β 相的生成會導(dǎo)致宏觀次級結(jié)構(gòu)的形成，這同Cu-10Sn合金SLM時得到的相和形貌類似。從熔池中形成的共晶結(jié)構(gòu)主要是初生的富集Ag-α 相和二次富Cu相（Cu3Ge和Cu5Ge）在基體中周期的排列。細(xì)小組織的生成是由于SLM工藝過冷造成的。

圖3 拉伸變形后TEM觀察到的SLM Ag-Cu-Ge合金

圖4 SLM Ag-Cu-Ge合金斷裂時纖維組織的等級分布

文獻(xiàn)來源：
Wang, Z., Xie, M., Li, Y. et al. Premature failure of an additively manufactured material. NPG Asia Mater 12, 30 (2020). https://doi.org/10.1038/s41427-020-0212-0