航空航天承力铝合金构件材料-工艺-性能一体化激光增材制造研究

铝合金常被用于航空航天承力部件，其高温力学性能对于飞行器的飞行安全至关重要。基于粉末床的激光增材制造铝合金已经在该领域实现了很多重要应用，因此，亟须建立LPBF成形铝合金组织与高温力学性能之间的映射关系，进一步探索合金组织-高温性能一体化调控机理，对提升其在航空航天等领域的服役安全性和稳定性至关重要。

围绕如何提升激光增材制造AlSi10Mg成形件的室温/高温力学性能，南京航空航天大学顾冬冬教授团队与成都飞机工业（集团）有限责任公司，研究了成形方向对LPBF成形AlSi10Mg合金冶金缺陷、显微组织、室温/高温力学性能、疲劳性能的影响规律，揭示了LPBF成形AlSi10Mg合金疲劳裂纹的扩展机理，为提升LPBF成形AlSi10Mg的综合服役性能提供理论指导。相关研究在《中国激光》学术期刊刊登，并以封面文章发表。

封面解读：封面呈现了激光粉末床熔融一体化成形铝合金复杂构件及铝合金标准疲劳试样的过程。激光粉末床熔融技术为高性能复杂铝合金构件的短周期、净成形制造提供了新的技术途径。

激光增材制造铝合金构件室温及高温力学性能对于提升其在航空航天等领域的服役稳定性至关重要。本文研究了成形方式对激光粉末床熔融(LPBF)AlSi10Mg构件室温压缩性能、高温拉伸性能、高周疲劳性能和室温裂纹扩展速率等力学性能的影响规律。结果表明：水平方式成形试样(拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向)具有更优的压缩性能，表现出更优异的抗压强度及屈服强度(分别为201.0 MPa与251.3 MPa)；在高温拉伸试验中，不同成形方向试样的抗拉强度及屈服强度随着试验温度升高(从100℃升至175℃)均呈下降趋势，而延伸率均逐渐升高，且水平方式成形试样的拉伸性能均优于垂直方式成形试样(载荷垂直于试样铺粉方向)。垂直方式成形AlSi10Mg合金试样经历107循环周次的中值疲劳强度为151.25 MPa，疲劳寿命约为2.1×105周次，疲劳裂纹扩展门槛值为0.981 MPa·m1/2。

研究团队通过激光粉末床熔融技术制备AlSi10Mg构件，研究了基于成形方向调控的铝合金组织演变对室温/高温静力学性能影响，探究了激光增材制造AlSi10Mg构件的疲劳等动力学性能，实现了铝合金构件的材料—组织—性能一体化激光高性能制造。成形方向采用水平成形方式（拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向）和垂直成形方式（载荷垂直于试样铺粉方向）[图1(b)]。LPBF成形AlSi10Mg疲劳试样如图1(c)、(d)所示。

图1 （a）LPBF成形过程；（b）垂直、平行与铺粉方向的成形试样示意图；（c）LPBF成形AlSi10Mg柱状试样；（d）标准疲劳试样

图2 不同方向成形试样高温拉伸性能柱状图。（a）100℃；（b）125℃；（c）150℃；（d）175℃

图3 垂直方式成形试样疲劳性能。（a）光滑试样的疲劳S-N曲线（R=0.1、Nf=107）；（b）疲劳裂纹扩展速率da/dN随应力强度因子范围∆K关系曲线

主要结论

1)垂直方式成形试样的截面显示了不同方向的熔池形态，熔池主要呈椭球形和半圆柱形，熔池宽度约为100μm水平方式成形试样截面的显微组织显示，沿成形方向的熔池呈典型的鱼鳞形态，熔池深度为30~80μm。不同方向成形柱状试样截面上的熔池边界较为清晰，但显微组织差异较大:垂直方式成形柱状试样的截面呈半圆柱形熔池形貌，而水平方式成形柱状试样的截面呈层状结构。这归因于LPBF工艺逐层累积、熔池逐层熔凝的特性。关注公众号:增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

2)垂直方式成形试样的压缩强度低于水平方式成形试样。在压缩过程中，垂直方式成形试样的裂纹扩展路径比较简单，而水平方式成形试样的裂纹扩展路径较为复杂，因而后者具有更高的压缩强度。温度和成形方向均会影响LPBF成形AlSi10Mg合金的拉伸性能:随着温度升高，所有试样的强度都呈现递减的趋势，而延伸率则逐渐升高；水平方式成形试样的强度均高于垂直方式成形试样。由于LPBF铝合金熔池边界的粗晶特征，熔池与层间结合成为影响材料拉伸性能的最主要因素。在拉伸试验过程中，拉伸载荷的方向与垂直试样层间位置垂直，熔池边界粗晶区的裂纹在应力影响下更易形核扩展；而水平方式成形试样的拉伸载荷平行于层间位置，粗晶区对裂纹扩展的影响较小，故水平方式成形试样具有更高的拉伸性能。

3)LPBF垂直方式成形AlSi10Mg合金试样的疲劳强度为151.25MPa；经历107次循环后，合金的疲劳强度有较大损失，强度下降原因是疲劳性能对孔洞等缺陷比较敏感。LPBF成形AlSi10Mg合金的疲劳寿命为2.1×105周次，疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth为0.981MPa·m1/2。

总结

研究采用激光粉末床熔融高精度增材制造技术，探究了不同成形方向对AlSi10Mg合金室温/高温静力学性能的影响，系统探究了激光增材制造AlSi10Mg构件疲劳性能，揭示了基于成形方向调控的铝合金组织演变对力学性能影响机制，优化了激光粉末床熔融成形AlSi10Mg疲劳性能，实现了铝合金材料—组织—性能一体化高性能制造，为激光增材制造铝合金在航空航天等领域的应用提供了科学基础和理论指导。