上海交通大學(xué)彭立明教授團隊：增材制造新進展，鎂合金三維成形空間及異常層狀顯微結(jié)構(gòu)

來源：特種鑄造

通過優(yōu)化工藝參數(shù)，成功制備出高性能的LPBF-10K合金，并深入探究了其成形性、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。首次系統(tǒng)地構(gòu)建了以激光束直徑、激光功率和掃描速度為變量的三維成形空間，為LPBF工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了新的維度，填補了Mg-RE合金LPBF微觀結(jié)構(gòu)研究的空白，為航空航天、汽車等領(lǐng)域復(fù)雜構(gòu)件的輕量化設(shè)計和制造提供了新的材料選擇。

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、汽車等輕量化需求迫切的領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)加工方法難以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如衛(wèi)星支架）。激光粉末床熔融（LPBF）作為最廣泛研究的金屬增材制造（AM）技術(shù)之一，因其高制造精度和由于快速凝固而產(chǎn)生的優(yōu)異部件力學(xué)性能而聞名，其可通過逐層堆積實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的近凈成形。鎂稀土（Mg-RE）合金因顯著的沉淀硬化效應(yīng)而具備高強度，但高稀土含量的Mg-RE合金在LPBF過程中易產(chǎn)生應(yīng)力開裂，限制其工程應(yīng)用。

由于鎂合金的激光吸收率低、蒸發(fā)熱和沸點低，LPBF鎂合金容易產(chǎn)生氣孔和未熔合（LoF）等缺陷。Mg-10Gd-Zr（G10K）合金稀土含量較低，在LPBF過程中表現(xiàn)出良好的抗裂性，但其在不同工藝參數(shù)下成形性、微觀結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)性能仍需系統(tǒng)研究。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)并充分發(fā)揮G10K合金在LPBF應(yīng)用中的潛力，上海交通大學(xué)彭立明教授團隊對LPBF制造的G10K合金的成形缺陷、微觀結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能進行了系統(tǒng)深入的研究，詳細討論了激光束直徑對成形區(qū)域的影響、異常層狀微觀結(jié)構(gòu)的形成過程及其對變形行為的影響。相關(guān)工作以題為“ 3D forming space and abnormal lamellar microstructures in a Mg-10Gd-Zr alloy fabricated by laser powder bed fusion”發(fā)表于期刊《Journal of Magnesium and Alloys》。


結(jié)果表明，激光束直徑對成形缺陷的影響顯著。激光束直徑為120 m時，熔池波動最小，氣孔和球化缺陷得到抑制，從而擴大了合金的成形區(qū)域。在激光功率為200 、掃描速度為600 m/s的條件下，LPBF-G10K合金實現(xiàn)了99.6%的相對密度、210.3MPa的屈服強度、284.5MPa的抗拉強度和8.9%的伸長率，兼顧了高成形性和力學(xué)性能。


在LPBF-G10K合金的凝固微觀結(jié)構(gòu)中，較高的體積能量密度（VED）促進等軸晶粒的形成，而較低的VED則對應(yīng)于層狀晶粒的形成。在具有適中VED的最優(yōu)工藝參數(shù)下，柱狀晶粒在熔池邊界處呈外延生長，等軸晶粒在熔池頂部形成，而層狀晶粒則沿熔池軌道的激光掃描方向在熔池中部平面生長，從而形成了LPBF-G10K合金中的異常微觀結(jié)構(gòu)。



塑性變形主要由等軸晶粒通過基面滑移和擴展孿晶來承擔(dān)，而由于其基面織構(gòu)，層狀晶粒的變形能力較差。LPBF-G10K合金的強度主要來源于殘余應(yīng)力、過飽和基體、納米級第二相顆粒和層狀晶粒中的基面織構(gòu)。