奧妮，何子昂，吳圣川，彭鑫，吳正凱，張振先，祝弘濱

(1.西南交通大學(xué),牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都,610031；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島,266111；3.中車工業(yè)研究院有限公司,北京,100160)

0 序言

增材制造(additive manufacturing，AM)是一種新興的先進(jìn)制造技術(shù)，它以粉末和絲材等為原料，以電弧、電子束、激光及其組合為熱源，自下而上逐層熔化并疊加為近凈成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)，徹底顛覆了傳統(tǒng)的減材制造理念，為復(fù)雜金屬件的一次性快速成形提供了無限可能[1].此外，增材制造還可以與傳統(tǒng)鑄造、鍛造和焊接等工藝結(jié)合制造大型復(fù)雜金屬構(gòu)件；利用其微區(qū)熔化特性還可以對損傷零件進(jìn)行補(bǔ)修[2]，延長壽命[3].但與傳統(tǒng)鑄造相比，增材制造技術(shù)起步較晚，成熟度不足[4]，多因素并存也制約了其發(fā)展，如組織不均勻性、制造缺陷、表面粗糙度以及殘余應(yīng)力等.

鋁合金具有良好的可加工性，且密度小、比強(qiáng)度高，在汽車工業(yè)、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1,5].鋁合金增材制造技術(shù)主要有選區(qū)激光熔化、選區(qū)電子束熔化、弧焊增材制造、電子束焊增材制造和激光立體成形等[6-9]，其中選區(qū)激光熔化(selective laser melting，SLM)是一種材料利用率高，并可以高精度成形復(fù)雜零件的技術(shù)，主要用于鑄造鋁合金以及焊接性較好的鋁合金系列，例如AlSi10Mg[4,10-13]，AlSi12Mg[14]，7075 鋁合金[15]等，其中以AlSi10Mg 合金研究最多.相關(guān)研究認(rèn)為，SLM成形AlSi10Mg 合金的力學(xué)性能整體上優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)品[16-20].然而，諸多因素限制了激光增材制造AlSi10Mg 合金的發(fā)展，如鋁合金在高溫時(shí)易發(fā)生氧化[21]，熱導(dǎo)率和激光反射率較高[22]，且缺陷較多，因此SLM 成形鋁合金對設(shè)備的環(huán)境控制、激光功率和掃描速度等工藝參數(shù)有較高要求.

近年來，各國學(xué)者從增材制造工藝到服役性能的全壽命過程積極開展研究探索[23].總體上，從“制造工藝—仿真模擬—性能評價(jià)”的角度來看，目前SLM 成形鋁合金的研究熱點(diǎn)包括工藝參數(shù)、建造方向、熱處理制度、熱力學(xué)過程模擬、力學(xué)性能仿真與評價(jià).其中，以建造方向、熱處理制度、力學(xué)性能評價(jià)等方面的研究較多.這些研究試圖通過探究損傷機(jī)制或優(yōu)化工藝等方法以提高SLM 成形鋁合金零部件的力學(xué)性能[24]，如：①優(yōu)化工藝參數(shù)和環(huán)境條件以獲得高致密度和高質(zhì)量的成形件；②揭示建造方向?qū)αW(xué)性能各向異性的影響及其微觀機(jī)制；③通過仿真模擬粗糙度并采用斷裂力學(xué)方法考察其對力學(xué)性能的影響；④優(yōu)化熱處理制度以減少殘余應(yīng)力、變形及裂紋、氣孔(尺寸、數(shù)量)等不利因素；⑤多尺度模擬SLM 熱力學(xué)過程成形零部件的力學(xué)性能；⑥探索缺陷分布和微觀組織特征及其與疲勞強(qiáng)度和壽命的關(guān)系；⑦基于大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等預(yù)測力學(xué)性能，并用以優(yōu)化工藝參數(shù).

文中主要對SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金的力學(xué)性能研究進(jìn)行綜述和討論，介紹了SLM 技術(shù)的基本工藝原理，從“制造工藝—仿真模擬—性能評價(jià)”的角度總結(jié)SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金力學(xué)性能方面的主要研究熱點(diǎn)和內(nèi)容，指明其力學(xué)性能的研究趨勢和方向以及存在的問題，為行業(yè)發(fā)展提供一定的指導(dǎo)意見.

1 激光增材AlSi10Mg 合金制造工藝

1.1 工藝參數(shù)

SLM 成形工藝參數(shù)繁多，不同的工藝參數(shù)對成形件的成形質(zhì)量、微觀組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等影響較大.通過對各種工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，才能獲得性能和質(zhì)量符合要求的成形構(gòu)件.SLM 成形AlSi10Mg合金的工藝參數(shù)對成形材料質(zhì)量和性能的影響總結(jié)如下[25].

(1)激光功率.激光功率影響激光能量密度，產(chǎn)生不同寬度和形貌的熔池結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響成形材料的致密度和其它材料性能，如磨損性能[26].鋁合金熱導(dǎo)率和激光反射率高，不合適的激光功率會(huì)導(dǎo)致熔池溫度降低，液相粘度增大，形成未熔合和氣孔等缺陷.

(2)掃描速度.掃描速度是指激光的移動(dòng)速度，與激光功率共同影響熔池的熱輸入.功率相同時(shí)，掃描速度越低，成形件致密度越高，但掃描速度降低，成形速度也會(huì)降低，因此需要合理配置激光功率和掃描速度.Kempen 等人[13]通過優(yōu)化SLM成形工藝參數(shù)以獲得接近完全致密的AlSi10Mg 合金零件，結(jié)果表明，掃描速度和激光功率共同決定了激光路徑上的激光能量密度，過低的激光能量密度會(huì)使掃描層之間的潤濕性降低，導(dǎo)致液滴產(chǎn)生，而激光能量密度過高又會(huì)使熔池過大且發(fā)生球化效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致熔池形貌不規(guī)則.Read 等人[16]研究了工藝參數(shù)對SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金孔隙率的影響，結(jié)果表明，孔隙率主要受激光功率、掃描速度以及掃描速度與掃描間距之間相互作用的影響.激光功率的降低和掃描速度的增加均會(huì)降低材料的能量輸入，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙率增加.Chen 等人[27]研究了激光能量密度與SLM 成形AlSi10Mg 合金微觀組織、孔隙率、力學(xué)性能的關(guān)系.研究結(jié)果表明，激光能量密度主要影響直徑大于150 μm 的氣孔的球度、尺寸、位置和數(shù)量等.Aboulkhair 等人[28]研究了制備高致密度SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金的工藝參數(shù)問題，結(jié)果表明，不同的掃描速度會(huì)產(chǎn)生不同類型的氣孔，較低的掃描速度容易產(chǎn)生冶金孔，較高的掃描速度容易導(dǎo)致粉末未熔化或不充分熔化，甚至產(chǎn)生鎖孔.

(3)掃描間距.掃描間距表示掃描路徑中兩條激光束軌跡的距離.在SLM 成形過程中，需要根據(jù)熔池寬度確定掃描間距.隨著掃描間距的增大，熔池間的不充分搭接會(huì)導(dǎo)致未熔合缺陷的產(chǎn)生.隨著掃描間距的減小，熔池的重疊區(qū)增大，則會(huì)導(dǎo)致成形件表面質(zhì)量降低.Aboulkhair 等人[28]研究了工藝參數(shù)對SLM 成形AlSi10Mg 合金致密度的影響，結(jié)果表明，50，100 μm 兩種掃描間距能使相鄰的熔池充分堆疊，結(jié)合其它工藝參數(shù)的合理匹配，零件的致密度可達(dá)99.77%.Wu 等人[29]研究了工藝參數(shù)對SLM 成形過程中AlSi10Mg 合金粉末顆粒濺射的影響.結(jié)果表明，較大的掃描間距會(huì)導(dǎo)致掃描軌道之間冶金結(jié)合不良，從而在掃描軌道間產(chǎn)生孔隙和未熔合等缺陷.

(4)掃描策略.激光束的移動(dòng)路徑方案，主要包括光柵單向式掃描、光柵往返式掃描、螺旋式掃描、分區(qū)式掃描等策略.掃描策略影響SLM 成形過程中粉末熔化再凝固順序及內(nèi)部溫度場，也會(huì)影響最終成形件缺陷的位置分布.Thijs 等人[11]研究了不同掃描策略對SLM 成形AlSi10Mg 合金的微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，當(dāng)掃描層間的旋轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，沿著掃描路徑產(chǎn)生粗大的＜100＞纖維織構(gòu)；當(dāng)掃描層間的旋轉(zhuǎn)角為90°時(shí)，粗大的＜100＞纖維織構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^細(xì)的立方織構(gòu).Aboulkhair 等人[28]研究了單層掃描、雙層掃描(預(yù)燒結(jié))以及0°和90°的掃描層間的旋轉(zhuǎn)角對AlSi10Mg 合金致密度的影響，結(jié)果表明，雙層掃描和0°層間旋轉(zhuǎn)角的組合能獲得較高的致密度.Fiegl 等人[30]研究了SLM 成形過程中AlSi10Mg 合金的位置依賴性，結(jié)果表明，掃描層間的旋轉(zhuǎn)角為90°時(shí)能降低掃描層間的結(jié)合不良與材料的各向異性.

(5)堆積層厚度.堆積層厚度指SLM 成形過程中單層掃描成形件厚度.不同的鋪粉量產(chǎn)生不同的堆積層厚度，鋪粉量選取不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致多個(gè)堆積層之間產(chǎn)生未熔合缺陷，降低成形件質(zhì)量.文獻(xiàn)[28-32]的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)中，堆積層厚度的選取往往為幾微米到幾十微米之間.Read 等人[16]研究了工藝參數(shù)對SLM 成形AlSi10Mg 合金孔隙率的影響，結(jié)果表明，堆積層厚度的大小對孔隙率的影響較小.Wu等人[29]研究了工藝參數(shù)對AlSi10Mg 合金SLM 成形過程中氣孔形成的影響，結(jié)果表明，過大的堆積層厚度是誘發(fā)掃描層間孔隙的關(guān)鍵因素之一，并選用35 μm 作為堆積層的厚度.

(6)基板預(yù)熱溫度.SLM 成形過程中溫度梯度大，容易引起熱應(yīng)力，進(jìn)而使成形件產(chǎn)生熱裂紋.增加基板預(yù)熱溫度可以改善SLM 成形過程中的溫度場分布，降低熱應(yīng)力的影響[33].Brandl 等人[34]研究了基板預(yù)熱溫度和熱處理制度對SLM 成形AlSi10Mg 合金試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)和高周疲勞行為的影響，結(jié)果表明，300 ℃基板預(yù)熱溫度結(jié)合T6 熱處理可以使微觀組織結(jié)構(gòu)均勻進(jìn)而有效提高材料的疲勞性能.

以上是典型的SLM 參數(shù)對表面質(zhì)量、微觀組織和疲勞性能等的影響.還有很多參數(shù)不同程度地影響SLM 鋁合金的微觀組織及缺陷，進(jìn)而影響其宏觀性能，如表1 所示[35].

表1 選區(qū)激光熔化成形過程的主要技術(shù)參數(shù)[35]Table 1 Technological parameters of SLM process

除了掃描參數(shù)，粉末參數(shù)、激光參數(shù)和環(huán)境參數(shù)更多更復(fù)雜，其對SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金性能的研究現(xiàn)狀總結(jié)如下.

對于粉末參數(shù)，Jian 等人[36]研究了不同顆粒直徑下SLM 成形鋁合金試樣高周及超高周疲勞行為.結(jié)果表明，采用粉末制備的直徑為20 μm 試樣含有的缺陷比直徑為50 μm 試樣含有的缺陷多，顆粒直徑為20 μm 的試樣具有較高的斷后伸長率，而50 μm 的試樣具有較高的疲勞性能.未熔合是主要的裂紋萌生源，對超高周疲勞來說，20 μm 直徑顆粒試樣的疲勞裂紋多從表面萌生，而50 μm 直徑顆粒試樣疲勞裂紋更易在亞表面或內(nèi)部萌生.

對于激光參數(shù)，Biffi 等人[37]研究了連續(xù)波(continuous wave，CW)和脈沖波(pulsed wave，PW)對材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響.結(jié)果表明，激光參數(shù)會(huì)影響材料的致密度和力學(xué)行為，PW 激光熔化獲得了較細(xì)的顯微組織，而CW 激光熔化過程中由于熱應(yīng)力的增加導(dǎo)致液相池變大，相變加快，力學(xué)性能得到改善，即抗拉強(qiáng)度和顯微硬度較高.Fiegl 等人[30]研究了激光入射角對SLM 成形AlSi10Mg合金表面粗糙度、氣孔率和力學(xué)性能等的影響.研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光入射角度的增大，表面粗糙度和孔隙率增大，而抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率降低.此外，為了消除光束偏轉(zhuǎn)對零件性能的影響，提出對激光系統(tǒng)采用圓形排列的方案.為了消除激光入射角度的影響，可以采用最多4 個(gè)激光束共同掃描.

對于環(huán)境參數(shù)，Ahmad 等人[38]研究了激光掃描方向、零件放置位置和惰性氣體流速對SLM 成形AlSi10Mg 合金抗拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，掃描方向(與惰性氣體流動(dòng)方向相同或相反)是最重要的影響因素.激光束和飛濺粉末的相互作用會(huì)導(dǎo)致激光掃描粉床時(shí)的能量損失[39]，而流動(dòng)的惰性氣體可以將這些飛濺粉末帶離成形室，因此惰性氣體流速對抗拉強(qiáng)度的影響比零件放置位置的影響更顯著.研究發(fā)現(xiàn)，與氣體方向相反的掃描方向可以獲得更好的零件質(zhì)量，因此提出了一種針對SLM 成形過程中惰性氣體流動(dòng)的掃描策略措施以提高SLM 成形零件的質(zhì)量.Rakesh 等人[17]研究了氬氣和氮?dú)鈱LM 成形AlSi10Mg 合金致密度、表面粗糙度和力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明，與氬氣環(huán)境相比，在氮?dú)庵蝎@得的AlSi10Mg 合金致密度較高、表面質(zhì)量較好，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊韌性也得到了有效改善.

綜上所述，目前SLM 工藝參數(shù)對AlSi10Mg 鋁合金孔隙率影響的研究較多，而考察工藝參數(shù)對力學(xué)性能影響相對較少.此外，目前研究中主要關(guān)注的工藝參數(shù)為掃描速度、激光功率、掃描間距、堆積層厚度等，而對于粉末成分、形狀等粉末參數(shù)和激光束直徑、光斑點(diǎn)距等激光參數(shù)或其它更為細(xì)節(jié)的工藝參數(shù)(如環(huán)境變化)以及其耦合效應(yīng)尚需深入研究.

1.2 建造方向

在增材制造中，建造方向通常是指打印過程中零件與基板的空間位置關(guān)系.建造方向的常用表示方法如圖1 所示[40]，其中方位角αxy表示零件與xOy水平面的夾角角度，極角αx表示零件在z軸方向上的旋轉(zhuǎn)角度，因此對建造方向的表示方法可以為(αxy,αx)，例如(45°,0°)，或用αxy表示，如0°(水平)或90°(垂直)等.建造方向?qū)υ霾腁lSi10Mg 合金的拉伸、壓縮、硬度等力學(xué)及疲勞性能有重要影響.圖2 總結(jié)了文獻(xiàn)[17,19-20,40-50]中建造方向?qū)LM 成形AlSi10Mg 鋁合金力學(xué)性能影響的研究.

圖1 激光增材制造金屬零件建造方向示意圖[40]Fig.1 Schematic of building orientation of laser AM metal parts.(a) normal view of yOzplane;(b)normal view of xOyplane

對于拉伸性能，Jawade 等人[19]研究了SLM 成形AlSi10Mg 合金建造方向?qū)煨阅艿挠绊?，結(jié)果表明，試樣拉伸性能與建造方向密切相關(guān)，水平建造試樣的拉伸性能優(yōu)于垂直建造試樣.吳正凱[20]研究了SLM 成形AlSi10Mg 合金的力學(xué)性能各向異性，結(jié)果表明，不同建造方向試樣在抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度上相當(dāng)，但水平建造試樣的斷后伸長率大于垂直試樣，堆積層方向的不同是導(dǎo)致SLM成形AlSi10Mg 合金力學(xué)性能各向異性的原因之一，其本質(zhì)應(yīng)是與堆積界面特性有關(guān).Maconachie等人[41]研究了SLM 成形AlSi10Mg 合金的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拉伸性能各向異性，結(jié)果表明，隨著建造方向角度αxy的增大，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增大，但增加幅度并不大，而斷后伸長率逐漸減小.根據(jù)上述研究和圖2 的總結(jié)可知，雖然一部分研究結(jié)果中水平建造試樣要比垂直建造試樣具有較優(yōu)的拉伸性能，但也有部分研究結(jié)果SLM 成形AlSi10Mg 合金的拉伸性能并不具有明顯的各向異性，甚至還存在垂直建造試樣拉伸性能優(yōu)于水平建造試樣的例外情況.因此，對于拉伸性能各向異性的微觀機(jī)制尚需進(jìn)一步研究，尤其需要結(jié)合不同方向試樣的殘余應(yīng)力、表面質(zhì)量、微觀組織、缺陷分布、熔池結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行系統(tǒng)探討.除了上述拉伸性能的各向異性，以下介紹建造方向?qū)ζ渌W(xué)性能的影響.

圖2 建造方向?qū)LM AlSi10Mg 合金拉伸性能的影響Fig.2 Effect of build orientation on tensile properties of SLM AlSi10Mg alloys

對于宏觀硬度，Hitzler 等人[40]研究發(fā)現(xiàn)SLM成形AlSi10Mg 鋁合金的布氏硬度具有各向異性，水平建造試樣的布氏硬度高于垂直試樣.對于顯微硬度，在目前研究中，SLM 成形AlSi10Mg 合金的維氏硬度各向異性并不明顯[42-43].

對于壓縮性能，Hitzler 等人[44]研究了SLM 成形AlSi10Mg 合金在破壞性壓縮測試下的各向異性行為.結(jié)果表明，建造方向45°試樣的壓縮性能最差，其壓縮楊氏模量、壓縮屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均低于建造方向0°和90°試樣；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，拉伸和壓縮測試條件下兩者力學(xué)性能差別不大，但其抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度.

對于斷裂韌性，Hitzler 等人[45]研究了建造方向?qū)LM 成形AlSi10Mg 合金斷裂韌性的影響，發(fā)現(xiàn)建造方向0°和45°對其影響差異較小，而建造方向90°時(shí)斷裂韌性較差.

對于動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，Zaretsky 等人[18]研究了不同建造方向下SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金的平面沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其與建造方向無關(guān).Bar 等人[46]借助分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)研究了SLM 成形AlSi10Mg 合金在應(yīng)變率為700～ 8 000 s-1時(shí)的動(dòng)態(tài)特性.結(jié)果表明，在應(yīng)變率為1 000～ 3 000 s-1時(shí)AlSi10Mg 合金的動(dòng)態(tài)特性受建造方向的影響顯著，垂直建造試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線表現(xiàn)出更高的抗拉強(qiáng)度.然而，在較低或較高的應(yīng)變率下，動(dòng)態(tài)特性受建造方向的影響較小.在分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)中利用橢圓度研究了SLM 零件的各向異性，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變率的增加，試樣的橢圓度增加，且水平建造試樣橢圓度的增加比垂直建造試樣顯著.

對于疲勞性能，吳正凱[20]研究了SLM 成形AlSi10Mg 合金的高周疲勞性能各向異性.結(jié)果表明，水平建造試樣的疲勞極限高于垂直建造試樣，但前者數(shù)據(jù)分散性更高，不同取向試樣的裂紋源缺陷尺寸、形貌和尺寸的各向異性是導(dǎo)致其疲勞性能各向異性的主要原因.裂紋擴(kuò)展速率測試結(jié)果表明，不同方向試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展特性無明顯差別.Xu 等人[47]研究了0°，15°，45°，90°不同建造方向?qū)LM 成形AlSi10Mg 合金試樣疲勞性能和裂紋擴(kuò)展行為的影響.結(jié)果表明，建造方向0°和15°的試樣疲勞性能較高，且疲勞斷裂參數(shù)均高于建造方向45°和90°的試樣.此外，熔池內(nèi)部表現(xiàn)為細(xì)小的網(wǎng)狀共晶硅組織，而熔池邊界共晶硅組織較為粗大.納米壓痕測試結(jié)果表明，這種不均勻微觀組織導(dǎo)致熔池內(nèi)部和邊界的彈性模量和納米硬度不同，前者硬度高于后者.因此，熔池邊界更易引起應(yīng)力集中在循環(huán)載荷下，強(qiáng)度更低的，并發(fā)生塑性變形和破壞，進(jìn)而導(dǎo)致不同建造方向下材料裂紋擴(kuò)展行為的差異性.

目前，對SLM 成形鋁合金力學(xué)性能各向異性的研究較多，但對其磨損、彎曲、高溫拉伸及高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸、壓縮等行為還有待深入研究.此外，建造方向?qū)ζ淅旌推诘攘W(xué)性能的影響機(jī)制還需結(jié)合熔池結(jié)構(gòu)和微觀組織特征等開展深入研究.

1.3 熱處理制度

SLM 成形AlSi10Mg 合金的抗拉強(qiáng)度往往優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造鋁合金，然而，高強(qiáng)度一般對應(yīng)著低塑性，這是限制其工業(yè)應(yīng)用的重要原因之一.熱處理可以改善材料的強(qiáng)韌性，進(jìn)而提高力學(xué)性能.當(dāng)前，鋁合金熱處理制度通常包括T2 熱處理、T5 熱處理、T6 熱處理、熱等靜壓(hot isostatic pressing，HIP)、去應(yīng)力退火(stress relieving，SR)、固溶處理(solution treatment，ST)和人工時(shí)效(artificial ageing，AA)等.其中，T2 熱處理通常指退火，主要為消除工件中的殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性及合金塑性.T5 熱處理通常指固溶處理加不完全人工時(shí)效，其目的是提高鋁合金的強(qiáng)度和硬度.T6 熱處理是指固溶處理加完全人工時(shí)效.固溶處理通常指將鋁合金加熱到高溫單相區(qū)保溫，使過剩相充分溶解到固溶體中后再快速冷卻，從而得到過飽和固溶體，主要是改善合金的塑性和韌性.人工時(shí)效通常指將固溶處理后的合金加熱到室溫以上溫度，保持一定時(shí)間使其性能發(fā)生轉(zhuǎn)化.人工時(shí)效又分為完全人工時(shí)效和不完全人工時(shí)效，其中完全人工時(shí)效通常采用較高的時(shí)效溫度或較長的保溫時(shí)間，不完全人工時(shí)效通常采用較低的時(shí)效溫度或較短的保溫時(shí)間.退火通常指將金屬緩慢加熱到一定溫度并保持一定時(shí)間，然后以合適的冷卻速度冷卻，其主要目的是細(xì)化晶粒，降低硬度，改善切削加工性，降低殘余應(yīng)力等.去應(yīng)力退火是退火的一種，目前SLM 成形AlSi10Mg 合金有關(guān)退火的研究內(nèi)容往往為去應(yīng)力退火.熱等靜壓通常指向工件施加各向同等壓力，并施以高溫，在高溫高壓作用下，工件得以燒結(jié)和致密化的熱處理制度.

以上這些熱處理制度對SLM 成形AlSi10Mg合金的力學(xué)性能有顯著影響，以拉伸性能為例，熱處理對拉伸性能的影響如圖3 所示[10,13,48-60](其中AB 指熱處理前鋁合金).由圖3 可知，雖然大多數(shù)熱處理制度一定程度上降低了SLM 成形AlSi10Mg 合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，但斷后伸長率的提升較為明顯.這可能與熱處理后內(nèi)部缺陷數(shù)量和尺寸的減小有關(guān)，同時(shí)部分不規(guī)則缺陷發(fā)生了圓化所致.

圖3 熱處理制度對選區(qū)激光熔化AlSi10Mg 鋁合金拉伸性能的影響[10,13,48-60]Fig.3 Effect of heat treatment technology on tensile properties of SLM AlSi10Mg alloy. (a) tensile strength and yield strength;(b) elongation

以下對當(dāng)前各種SLM 成形AlSi10Mg 合金的熱處理制度及其影響進(jìn)行介紹.

Li 等人[51]研究了固溶處理和人工時(shí)效對SLM成形AlSi10Mg 合金組織和力學(xué)性能的影響.人工時(shí)效使Si 原子在鋁基體中的溶解度進(jìn)一步降低.固溶處理后，Si 原子從過飽和鋁基體中析出形成硅顆粒.隨著固溶溫度的升高，硅顆粒尺寸增大，數(shù)量減少，人工時(shí)效后，硅顆粒進(jìn)一步粗化，硅顆粒尺寸對AlSi10Mg 試樣力學(xué)性能有顯著影響.經(jīng)550 ℃保溫2 h 的固溶處理后，抗拉強(qiáng)度降低，斷后伸長率顯著增加.研究表明，通過適當(dāng)?shù)墓倘芴幚砗腿斯r(shí)效，SLM 成形AlSi10Mg 合金的力學(xué)性能獲得了較大程度的改善.Trevisan 等人[35]綜述了工藝參數(shù)和熱處理制度對SLM 成形AlSi10Mg 合金力學(xué)性能的影響.研究認(rèn)為，隨著固溶處理溫度的升高，SLM 成形AlSi10Mg 合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，斷后伸長率提升.

Wang 等人[52]研究了T2 熱處理對SLM 成形AlSi10Mg 合金試樣組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，經(jīng)T2 熱處理后試樣的致密度無明顯變化，但布氏硬度和抗拉強(qiáng)度降至50%左右，斷后伸長率增加約3 倍，同時(shí)拉伸性能各向異性降低.Casati 等人[53]研究了基板預(yù)熱和熱處理制度對SLM 成形AlSi10Mg 合金拉伸性能的影響.結(jié)果表明，T5 熱處理對SLM 成形AlSi10Mg 合金的抗拉強(qiáng)度提升有較大影響，而對其塑性影響較小.Rosenthal 等人[54]基于T5 熱處理制度(300 ℃下保溫2 h)在100～ 300 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行了一系列研究以此改進(jìn)傳統(tǒng)T5 熱處理.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在200 ℃保溫2 h 的T5 熱處理，由于含硅相的析出和粗化，硬度顯著增加，但研究還缺少進(jìn)一步的力學(xué)試驗(yàn)來驗(yàn)證T5 熱處理的可行性.T6 熱處理的目的是為了獲得最高的抗拉強(qiáng)度，但也會(huì)導(dǎo)致塑性下降.然而，Rosenthal等人[54]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過T6 熱處理后，SLM 成形AlSi10Mg 合金的顯微組織細(xì)化，抗拉強(qiáng)度和硬度下降，斷后伸長率提升，力學(xué)性能與鑄造合金相當(dāng)，甚至更高.Aboulkhair 等人[55]研究了T6 熱處理制度對SLM 成形AlSi10Mg 合金的力學(xué)性能影響，由于熱處理中存在相變，試件的組織變化顯著，材料硬度從125 HV 降低到100 HV，抗拉強(qiáng)度略有下降，斷后伸長率增加了3 倍.結(jié)果表明，SLM 成形AlSi10Mg 合金與傳統(tǒng)制造Al-Si 合金在T6 熱處理后的力學(xué)行為并不完全一致，這主要是由SLM成形件與鑄造件的初始微觀結(jié)構(gòu)和缺陷分布差異造成.

Tridello 等人[56]研究了退火溫度對SLM 成形AlSi10Mg 合金試樣拉伸性能和超高周疲勞性能的影響.研究結(jié)果表明，當(dāng)退火溫度為320 ℃時(shí)，網(wǎng)狀硅發(fā)生球化，其準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度降低，但塑性明顯提高；當(dāng)退火溫度為244 ℃時(shí)，網(wǎng)狀硅保持完整，可獲得比退火溫度320 ℃時(shí)較優(yōu)的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率以及應(yīng)力消除效果，超高周疲勞性能較優(yōu)，而退火溫度320 ℃時(shí)超高周疲勞性能反而比初始態(tài)試樣差.Uzan 等人[10]將垂直方向建造的SLM 成形AlSi10Mg 合金在初始態(tài)、去應(yīng)力退火、250 和500 ℃去應(yīng)力退火結(jié)合熱等靜壓復(fù)合熱處理后試樣的力學(xué)性能進(jìn)行了測試.結(jié)果表明，初始態(tài)試樣和拋光試樣展現(xiàn)出最高的疲勞極限，去應(yīng)力退火、去應(yīng)力退火和熱等靜壓復(fù)合處理均降低了材料的屈服強(qiáng)度、硬度和疲勞極限.由于顯著的微觀組織變化，500 ℃去應(yīng)力退火和熱等靜壓的復(fù)合處理導(dǎo)致疲勞性能較差.

SLM 成形件通常存在較多的氣孔和未熔合等缺陷，熱等靜壓在一等程度上可以減少缺陷的數(shù)量.Larrosa 等人[57]發(fā)現(xiàn)熱等靜壓使SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金的垂直建造試樣孔隙率降低44%，使水平建造試樣孔隙率降低65%.熱等靜壓處理顯著提升了其疲勞性能，且水平建造試樣疲勞性能優(yōu)于垂直建造試樣，但拉伸性能并沒有相應(yīng)提高.Finfrock 等人[58]研究發(fā)現(xiàn)，熱等靜壓對孔隙率的減少效果優(yōu)于去應(yīng)力退火，去應(yīng)力退火后試樣的抗拉強(qiáng)度提升但斷后伸長率降低，熱等靜壓試樣抗拉強(qiáng)度降低但斷后伸長率提升.

此外，針對不同熱處理制度對疲勞性能的影響，Zhang 等人[59]研究了去應(yīng)力退火、固溶處理和T6 熱處理(固溶處理+人工時(shí)效)3 種不同熱處理?xiàng)l件下SLM 成形AlSi10Mg 合金試樣的疲勞性能.結(jié)果表明，初始態(tài)試樣的疲勞性能最高，3 種熱處理制度均降低了試樣的疲勞性能，其中固溶處理試樣的疲勞性能最低，疲勞性能的降低主要是因?yàn)闊崽幚砀淖兞司W(wǎng)狀硅的尺寸和形貌.

除了熱處理制度，SLM 成形AlSi10Mg 合金的表面處理也有研究.Han 等人[60]探索了激光表面重熔(laser surface remelting,LSR)對SLM 成形AlSi10Mg 合金微觀組織和力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明，LSR 處理后試樣的表面粗糙度由初始態(tài)的19.3 μm 降低為0.93 μm，同時(shí)LSR 工藝由于細(xì)化了共晶硅組織而提高了顯微硬度.基于這兩點(diǎn)，SLM 和LSR 工藝相結(jié)合將有望進(jìn)一步促進(jìn)增材制造鋁合金在汽車和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用.

由以上研究可知，只有恰當(dāng)?shù)臒崽幚碇贫炔拍塬@得SLM 成形件的最優(yōu)力學(xué)性能.另外，這些熱處理制度多基于傳統(tǒng)制造合金的熱處理制度，有必要繼續(xù)深入探索適用于增材制造金屬材料的熱處理制度.

SLM 成形件比傳統(tǒng)金屬構(gòu)件的缺陷多，裂紋易從試樣表面或亞表面缺陷處萌生，疲勞性能差.表面處理可以有效改善這些不足，因此，拋光、噴丸、滾壓、激光表面重熔以及各種涂覆層等表面處理工藝對增材金屬材料力學(xué)性能尤其疲勞性能的影響也需重點(diǎn)關(guān)注[61].

2 激光增材AlSi10Mg 合金仿真研究

傳統(tǒng)試錯(cuò)型方法具有高耗時(shí)和高花費(fèi)等缺點(diǎn)，仿真試驗(yàn)可彌補(bǔ)這些不足而成為可替代性研究方法，已經(jīng)成為當(dāng)前科學(xué)研究中不可或缺的技術(shù)手段.當(dāng)前對SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金的仿真模擬研究可分為兩類，一類為SLM 成形過程中的熱力學(xué)過程模擬，主要是熔池?zé)釟v史仿真以優(yōu)化工藝參數(shù)[27,62-67]；另一類為SLM 成形件的力學(xué)性能仿真，主要研究內(nèi)容為SLM 成形件的有限元模型仿真以評價(jià)力學(xué)性能[49,68-74].

2.1 增材熱力學(xué)過程模擬

對于SLM 成形過程的熱力學(xué)仿真計(jì)算研究，基于熱力學(xué)的有限元仿真是常見的研究方法.如圖4 所示，采用ABAQUS 軟件建立粉末床網(wǎng)格模型，基于不同的激光增材工藝參數(shù)、材料熱物理性能參數(shù)和熱傳導(dǎo)方程，得到有限元仿真后的熔池溫度場，進(jìn)而開展不同工藝參數(shù)下實(shí)際熔池形貌與仿真結(jié)果對比分析等工藝參數(shù)優(yōu)化研究[62].因此，大多學(xué)者使用有限元仿真進(jìn)行SLM 成形熱力學(xué)過程模擬，并開展工藝參數(shù)對成形過程及成形件性能影響的仿真研究.

圖4 選區(qū)激光熔化熱力學(xué)過程模擬Fig.4 Thermodynamic process simulation of SLM.(a) mesh model of powder bed;(b) temperature field contour of melt pool

對于激光能量密度，Chen 等人[27]采用有限元方法模擬了AlSi10Mg 合金SLM 成形過程中不同激光能量密度下的熔池溫度分布，結(jié)果表明，激光能量密度的大小影響著氣孔的形貌、位置和數(shù)量，激光能量密度為44.5 J/mm3時(shí)熔池中的溫度分布相對均勻.建立基于熱力學(xué)模型的單激光粉末床有限元模型，并通過改變激光能量密度來模擬熔池?zé)岱植己蜌饪鬃兓?，可為SLM 制造前的參數(shù)優(yōu)化提供快速且精確的參考.

對于曝光時(shí)間和光斑間距，Li 等人[63]建立了有限元模型研究曝光時(shí)間和光斑間距對AlSi10Mg鋁合金在SLM 成形過程中熱量分布的影響.結(jié)果表明，在低曝光時(shí)間和高光斑間距下，較低的液相時(shí)間和較高的熔池冷卻速度降低了熔體的粘度，這導(dǎo)致濕潤性較差并發(fā)生球化效應(yīng)和微孔洞產(chǎn)生.當(dāng)曝光時(shí)間較高或光斑間距較低時(shí)，熔池變得不穩(wěn)定，容易形成自球化現(xiàn)象，并產(chǎn)生較大的氣孔.Ding 等人[64]用有限元仿真軟件對AlSi10Mg 合金在SLM 成形過程中的傳熱和流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了曝光時(shí)間和光斑間距對熔池尺寸和溫度的影響.試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果吻合良好，其研究結(jié)果表明數(shù)值分析模型可以有效預(yù)測不同曝光時(shí)間和光斑點(diǎn)距下SLM 成形件的熔池結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量和孔隙率.

對于激光功率和掃描速度，Li 等人[65]采用有限元方法模擬了AlSi10Mg 合金在SLM 成形過程中的溫度場，研究了激光功率和掃描速度對SLM 熱行為的影響.結(jié)果表明，隨著激光功率的增加，熔池的冷卻速率變快；隨著掃描速度的增加，熔池的冷卻速率更快.低激光功率和高掃描速度組合降低了熔池溫度和液相存在時(shí)間，導(dǎo)致SLM 成形件潤濕性降低，形成微氣孔.隨著激光功率的增加，沿熔池深度方向的溫度梯度增加，但隨著掃描速度的增加，沿熔池深度方向的溫度梯度略有減小.因此，在較高激光功率和低掃描速度下，可獲得合適的熔池寬度和深度，并促進(jìn)相鄰堆積層之間的良好冶金熔合.Liu 等人[66]采用ANSYS 有限元方法建立了熱導(dǎo)率各向異性的單軌模型研究AlSi10Mg 合金在SLM 成形過程中的熔池?zé)釟v史及微觀組織形貌.結(jié)果表明，隨著掃描速度的增加，冷卻速率和凝固速率增大，溫度梯度減小.隨著激光功率的降低，冷卻速率、溫度梯度和凝固速率降低.并通過試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了該模型可以很好地預(yù)測SLM 成形AlSi10Mg 合金的微觀組織.

對于熱輸入和堆積層層數(shù)，Hu 等人[67]采用ANSYS 有限元軟件建立了AlSi10Mg 合金粉末的多堆積層有限元模型，研究其SLM 成形熱力學(xué)過程中熔池和成形件的微觀組織形貌，分析了激光能量輸入和堆積層層數(shù)對熔化和凝固過程的影響.結(jié)果表明，隨著激光能量輸入和堆積層層數(shù)的增加，熔池溫度和深度逐漸增大.沿掃描方向的溫度梯度、凝固速率隨堆積層層數(shù)的增加而增大，隨激光能量輸入的增加而減小.此外，高激光能量輸入可以獲得較細(xì)的晶粒，且仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.

2.2 力學(xué)性能仿真

對于SLM 成形AlSi10Mg 合金的力學(xué)行為仿真計(jì)算研究，基于各種力學(xué)模型的有限元仿真是常見的研究方法.例如，圖5 為基于Eshelby 力學(xué)模型的SLM 成形AlSi10Mg 合金橢球形缺陷有限元分析結(jié)果，通過該結(jié)果可以評估不同缺陷的臨界值，判斷最容易萌生疲勞裂紋的缺陷[68].此外，有限元仿真可以計(jì)算各種載荷下試樣斷裂處的受力情況，便于后續(xù)繪制S-N曲線[49].因此，較多學(xué)者采用有限元仿真研究SLM 成形AlSi10Mg 合金的力學(xué)性能問題.

圖5 選區(qū)激光熔化AlSi10Mg鋁合金橢球形缺陷的Mises 應(yīng)力云圖Fig.5 Mises stress distribution of ellipsoidal defect of SLM AlSi10Mg alloys

對于拉伸性能，Wang 等人[69]基于實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)獲取的三維圖像進(jìn)行了單軸拉伸有限元仿真.結(jié)果表明，試樣的拉伸性能與缺陷的幾何特征有關(guān)，缺陷分布降低了楊氏模量和屈服強(qiáng)度，但提高了等效塑性應(yīng)變.此外，還基于實(shí)驗(yàn)室CT 成像數(shù)據(jù)，建立仿真模型，在細(xì)觀尺度上對帶有兩個(gè)通孔的SLM 成形AlSi10Mg 合金試樣的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸損傷演化進(jìn)行有限元模擬，并提取了幾何缺陷的損傷演化過程[70].結(jié)果表明，AlSi10Mg 合金試樣的力學(xué)響應(yīng)與通孔的初始形態(tài)有關(guān)，幾何缺陷顯著增加了AlSi10Mg合金的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展.

對于壓縮性能，Amani 等人[71]采用原位和非原位實(shí)驗(yàn)室CT 技術(shù)，對壓縮作用下的SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金試樣的變形行為進(jìn)行了研究，然后利用Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)多孔塑性建立基于三維成像數(shù)據(jù)的數(shù)值模型來仿真壓縮過程.結(jié)果表明，該模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，特別是在裂紋萌生位置的預(yù)測方面.Li 等人[72]研究了壓縮載荷下節(jié)點(diǎn)優(yōu)化對SLM 成形AlSi10Mg 合金試樣力學(xué)性能和變形行為的影響.通過對比不同試樣的有限元仿真壓縮試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試樣的損傷主要分布在支承節(jié)點(diǎn)處，通過節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，試樣應(yīng)變減小，且應(yīng)變向支承桿中部轉(zhuǎn)移，消除了晶格結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力集中.此外，隨著節(jié)點(diǎn)優(yōu)化半徑的增大，試樣的壓縮模量和抗壓強(qiáng)度也隨之增大.

對于疲勞性能，Zhang 等人[73]基于ABAQUS軟件建立考慮缺陷效應(yīng)的晶體塑性有限元模型研究了SLM 成形AlSi10Mg 合金的高周疲勞和超高周疲勞行為，同時(shí)還采用Morrow's 模型和Smith Watson-Topper 模型預(yù)測疲勞壽命.結(jié)果表明，基于Smith Watson-Topper 模型預(yù)測的疲勞壽命與試驗(yàn)壽命在1 × 105～ 1 × 109周次之間吻合較好.氣孔、夾雜物等缺陷附近累積的塑性剪切應(yīng)變的增加加速了裂紋萌生過程，從而降低了疲勞壽命.

Subbiah 等人[74]用有限元仿真研究了SLM 成形過程中，成形件支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化.對比其它結(jié)構(gòu)，該研究提出了一種網(wǎng)狀支承結(jié)構(gòu)，其不僅能承受成形件載荷，且負(fù)載過程中結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力和應(yīng)變也較低.此外，這種支承結(jié)構(gòu)能夠減少激光增材制造過程的零件成形時(shí)間、材料消耗和表面粗糙度.利用有限元仿真研究SLM 成形件本身力學(xué)性能和SLM 成形件周圍的機(jī)械-力學(xué)耦合等綜合環(huán)境對成形件質(zhì)量的影響，拓展了激光增材AlSi10Mg 合金力學(xué)性能仿真研究范圍.

從上述研究可知，對于SLM 成形AlSi10Mg 合金的仿真研究主要分為以下兩個(gè)方面：一是SLM成形過程中的熱力學(xué)過程仿真，其主要側(cè)重于SLM 制造過程中的熔池?zé)崃W(xué)歷程仿真從而優(yōu)化工藝參數(shù)；二是SLM 成形件的力學(xué)性能仿真，主要側(cè)重于研究考慮缺陷影響下的力學(xué)行為.其中，基于缺陷三維成像數(shù)據(jù)的有限元仿真是當(dāng)前研究熱點(diǎn).

3 激光增材AlSi10Mg 合金性能評價(jià)

力學(xué)性能是增材金屬材料能夠成功應(yīng)用于工程裝備時(shí)必須考慮的重要因素之一.近年來，以美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)為主導(dǎo)，相繼開展了增材金屬合金的完整性研究，并在奧本大學(xué)成立了國家卓越增材制造中心[50]；同時(shí)，歐洲學(xué)者也關(guān)注到增材材料的結(jié)構(gòu)完整性并開展研究，這表明西方發(fā)達(dá)國家已開始大力重視增材制造技術(shù).在相關(guān)研究中，SLM成形AlSi10Mg 合金的力學(xué)性能評價(jià)也是其重要的研究內(nèi)容.將分別綜述當(dāng)前SLM 成形AlSi10Mg合金性能評價(jià)的兩方面研究，即基于缺陷表征的力學(xué)性能評價(jià)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的力學(xué)性能評價(jià).針對SLM 成形AlSi10Mg 合金力學(xué)性能不足問題，一些學(xué)者通過添加不同元素或者組分等來改善成形過程以調(diào)控組織和缺陷，力學(xué)性能達(dá)到高強(qiáng)度鋁合金水平，也是一個(gè)值得關(guān)注的方向.

3.1 基于缺陷表征的性能評價(jià)

增材制造件的力學(xué)性能往往優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造件，但其疲勞強(qiáng)度較低，疲勞壽命離散性較大[75].由于缺乏評價(jià)增材制造件疲勞性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這些因素嚴(yán)重制約著增材制造件的工程應(yīng)用[76].增材制造過程中會(huì)產(chǎn)生氣孔和未熔合等缺陷，這些缺陷會(huì)引起應(yīng)力集中，加速疲勞裂紋萌生，降低疲勞強(qiáng)度和壽命，是影響增材制造件疲勞性能的重要因素.雖然后續(xù)熱處理制度和工藝參數(shù)優(yōu)化能改善缺陷的影響，但無法完全消除[77].該章節(jié)系統(tǒng)介紹了基于缺陷表征的力學(xué)性能評價(jià)方法，列出“缺陷表征—缺陷演化—性能評價(jià)”的研究框架，如圖6 所示[48,78-80].

圖6 基于缺陷表征技術(shù)的疲勞性能評價(jià)流程[48,78-80]Fig.6 Fatigue performance evaluation based on defect representation technology

3.1.1 缺陷表征

在工業(yè)裝備制造與服役中，材料的損傷表征和性能評價(jià)是關(guān)鍵問題[81].作為一種材料微區(qū)結(jié)構(gòu)非破壞定量表征技術(shù)，同步輻射CT 在增材制造金屬材料的細(xì)觀損傷力學(xué)行為研究方面具有很大優(yōu)勢，為觀測不同空間尺度下材料內(nèi)部損傷行為及缺陷演化提供了可能.為實(shí)現(xiàn)增材制造金屬材料內(nèi)部變形和損傷過程的原位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測，國內(nèi)外學(xué)者已研制出多種基于同步輻射CT 的原位加載裝置.從樣品環(huán)境上分類，有真空、高溫、常溫和低溫等[82-88].從加載類型上分類，有壓縮、拉伸、軸向疲勞和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞等[48,89-97].近年來，吳圣川等人[80]研制出一系列基于先進(jìn)光源的材料試驗(yàn)原位加載系統(tǒng)，如基于上海光源BL13HB 線站的原位拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)(圖7[80,90])、原位疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)及樣品環(huán)境系統(tǒng)[98-99].這些原位裝置配合同步輻射CT 能夠?qū)崿F(xiàn)材料缺陷演化和損傷行為的無損、動(dòng)態(tài)、定量研究，成為目前表征缺陷致?lián)p傷行為的先進(jìn)研究手段.同步輻射等大科學(xué)裝置和原位加載裝置相結(jié)合極大推動(dòng)了工程材料服役性能的研究與發(fā)展.

圖7 兼容于上海同步輻射光源的原位拉伸試驗(yàn)機(jī)[80,90]Fig.7 In-situ tensile testing machine compatible with Shanghai synchrotron radiation source.(a) image of real products;(b) design drawing

3.1.2 缺陷演化

對于缺陷演化，Bao 等人[82]基于同步輻射CT 開展SLM 成形AlSi10Mg 合金在室溫及250 ℃高溫下的原位疲勞測試，結(jié)果表明，試樣頸縮及內(nèi)部缺陷的二次分布導(dǎo)致相鄰缺陷沿著約45°方向不斷聚集；較大的循環(huán)塑性使得頸縮區(qū)缺陷以約10 倍于周向生長速率的速度伸長，如圖6 所示，最終缺陷引起內(nèi)部裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展，并以共晶硅顆粒引起的微空隙連接為主要擴(kuò)展形式，內(nèi)部裂紋擴(kuò)展階段約占低周疲勞壽命的90%；當(dāng)試樣縱向應(yīng)變達(dá)到0.9 左右時(shí)，試樣外側(cè)圓周區(qū)域在剪切應(yīng)力作用下迅速破壞，從而導(dǎo)致典型的杯形或錐形韌性斷口.此外，還研究了SLM 成形AlSi10Mg 合金在不同溫度下的低周疲勞行為和微觀組織變化[83].結(jié)果表明，在100 和250 ℃條件下，制造缺陷是低周疲勞失效的優(yōu)先起裂點(diǎn).然而，在400 ℃時(shí)，高密度微孔洞從粗大的硅顆粒成核.在循環(huán)變形過程中，這些微孔洞生長并合并，形成以韌窩為主的疲勞斷口.

3.1.3 性能評價(jià)

對于力學(xué)性能評價(jià)，Beretta 等人[75]綜述了增材制造AlSi10Mg 合金疲勞強(qiáng)度對缺陷分布的敏感性；結(jié)果表明，缺陷的大小、位置和形貌是影響增材構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的主要因素，應(yīng)用于傳統(tǒng)制造部件的缺陷容限設(shè)計(jì)和缺陷極值統(tǒng)計(jì)方法同樣適用于增材制造構(gòu)件.Kan 等人[100]綜述了SLM 成形缺陷對AlSi10Mg 等4 種常用增材合金拉伸性能和疲勞性能的影響.結(jié)果表明，拉伸性能主要受到微觀組織影響，因此降低孔隙率只能在一定程度上提高其拉伸性能.而對于高周疲勞性能，其主要影響因素為表面或亞表面缺陷.Murakami 等人[101]研究了含缺陷材料的S-N曲線問題，并認(rèn)為制造缺陷是導(dǎo)致增材材料疲勞壽命在低應(yīng)力水平下較大分散性的主要原因.由此可見，缺陷是影響增材構(gòu)件力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，是主要的關(guān)注點(diǎn).

基于傳統(tǒng)缺陷表征，Qian 等人[102]研究了SLM成形AlSi10Mg 鋁合金超高周疲勞行為.通過分析疲勞斷口發(fā)現(xiàn)，高周疲勞和超高周疲勞過程中主要存在4 種典型的裂紋萌生機(jī)理，即未熔合缺陷起裂、內(nèi)部氣孔起裂、無明顯缺陷起裂和撕裂起裂；并提出了一種考慮裂紋萌生位置對疲勞強(qiáng)度影響的改進(jìn)Murakami 模型.Laursen 等人[103]基于阿基米德法和疲勞斷口觀測來表征缺陷，并采用3 種數(shù)學(xué)模型關(guān)聯(lián)SLM 成形AlSi10Mg 合金的孔隙率和拉伸性能.結(jié)果表明，試樣的孔隙率與抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量具有相關(guān)性，且與斷后伸長率的相關(guān)性最強(qiáng).

基于實(shí)驗(yàn)室/同步輻射CT 的三維缺陷表征技術(shù)，Ngnekou 等人[104]和Romano 等人[105]對SLM 成形AlSi10Mg 合金的初始態(tài)缺陷進(jìn)行表征，并結(jié)合斷裂力學(xué)建立了Kitagawa-Takahashi(K-T)圖.吳正凱等人[20,48]采用實(shí)驗(yàn)室CT 對SLM 成形AlSi10Mg合金內(nèi)部缺陷進(jìn)行三維表征，并將其與平行和垂直建造試樣的拉伸和高周疲勞性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)，探索出一種基于缺陷三維成像的疲勞性能評估方法.具體研究步驟為，首先由材料抗拉強(qiáng)度預(yù)測出“無缺陷”材料的疲勞極限，然后利用自主算法iLAPS 模型預(yù)測疲勞裂紋擴(kuò)展特性來獲得K-T 圖，并采用實(shí)驗(yàn)室CT 和極大值概率統(tǒng)計(jì)方法表征并統(tǒng)計(jì)缺陷，最后結(jié)合缺陷特征尺寸和K-T 圖(圖8[48])對試樣的疲勞性能進(jìn)行概率評估.此外，Wu 等人[106]把無限壽命設(shè)計(jì)和損傷容限思想有機(jī)融合進(jìn)而提出了“名義應(yīng)力法+損傷容限法”階梯疲勞評估方法，在增材制造件疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和剩余壽命評估中顯示出較大應(yīng)用潛力.

圖8 選區(qū)激光熔化AlSi10Mg 合金標(biāo)準(zhǔn)和基于El-Haddad模型修正的K-T 圖[48]Fig.8 Standard and modified K-T diagram based on EIHaddad model of SLM AlSi10Mg alloys

基于“缺陷表征—缺陷演化—性能評價(jià)”的疲勞研究框架是增材制造件力學(xué)與疲勞性能評價(jià)較為完整的評估流程，將進(jìn)一步推動(dòng)SLM 成形AlSi10Mg 合金的力學(xué)與疲勞性能評估研究.最后，探索最優(yōu)的熱處理制度和工藝參數(shù)，用計(jì)算機(jī)建模與仿真予以輔助，并在大科學(xué)裝置和原位加載裝置的基礎(chǔ)上將缺陷表征、缺陷演化、性能評價(jià)有機(jī)結(jié)合是研究SLM 成形AlSi10Mg 合金疲勞性能的重要研究方向.

3.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的性能評價(jià)

傳統(tǒng)基于物理模型的力學(xué)性能研究方法往往通過研究者的經(jīng)驗(yàn)來建立力學(xué)模型，難以深度挖掘出潛藏在海量試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的物理信息和內(nèi)在機(jī)理.此外，基于缺陷的疲勞壽命評估中還存在著遷移性和魯棒性差等局限性.因此，如何建立一種基于機(jī)理驅(qū)動(dòng)的SLM 成形鋁合金材料力學(xué)性能研究方式是亟需解決的問題.近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)(machine learning，ML)、大數(shù)據(jù)等方法在許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，其典型應(yīng)用為材料基因組工程[107].對于增材金屬的疲勞性能評估問題，適合解決具有多變量不確定因素問題的機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用潛力巨大.

Zhang 等人[108]將常規(guī)機(jī)器學(xué)習(xí)模型如支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、高斯過程回歸、淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用于奧氏體不銹鋼的疲勞壽命預(yù)測.研究表明，相較于其它傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更好的預(yù)測精度.Han 等人[109]使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算了含缺陷結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，結(jié)果表明，基于復(fù)合特殊數(shù)據(jù)集的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠更好地預(yù)測含缺陷的疲勞壽命.He 等人[110]用隨機(jī)森林和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功預(yù)測了疲勞壽命.研究表明，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以評估整個(gè)S-N曲線.Zhang 等人[111]基于激光功率、掃描速度、堆積層厚度和外部載荷等特征，通過3 種典型的機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測了增材316L 不銹鋼材料的疲勞壽命.結(jié)果表明，機(jī)器學(xué)習(xí)方法對于疲勞壽命預(yù)測的有較強(qiáng)的泛化能力.Luo 等人[112]使用線性回歸、支持向量回歸和嶺回歸方法研究了孔隙位置、大小和數(shù)量對SLM 成形Inconel 718 合金疲勞壽命的影響，結(jié)果表明，機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以定量的模擬缺陷與疲勞特性之間的關(guān)系.Bao 等人[113]通過使用支持向量機(jī)和K 近鄰算法，以缺陷的大小、位置和形態(tài)作為輸入特征，預(yù)測了SLM 成形Ti6Al4V 合金的疲勞壽命.研究表明，支持向量機(jī)模型對于小樣本數(shù)據(jù)具有較好的預(yù)測能力.

以材料缺陷特征為輸入?yún)?shù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法也可以實(shí)現(xiàn)疲勞壽命的準(zhǔn)確預(yù)測[108-113]，因此機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等有望在增材合金的疲勞性能評估中發(fā)揮重要作用.由于試驗(yàn)成本等限制，機(jī)器學(xué)習(xí)方法在增材鋁合金領(lǐng)域內(nèi)的研究還未深入開展.目前，有潛力的解決方案是結(jié)合高通量試驗(yàn)方法[114]，建立增材制造金屬材料及其性能數(shù)據(jù)庫[81,115].此外，將其它疲勞損傷評估標(biāo)準(zhǔn)，如應(yīng)力強(qiáng)度因子等，與機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合來預(yù)測疲勞壽命，同樣可行[116].通過基于原位試驗(yàn)觀測的短裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合可以分析短裂紋的疲勞壽命和路徑[117]，以改進(jìn)增材金屬的疲勞性能評估.

在金屬材料的力學(xué)性能尤其是疲勞性能研究中，充分利用機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)預(yù)測材料性能是近年興起的前沿研究方法.文中提出的基于“工藝參數(shù)優(yōu)化—模型建立—力學(xué)性能預(yù)測”的增材制造金屬的力學(xué)與疲勞性能評價(jià)框架如圖9 所示[108-113].利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以指導(dǎo)增材金屬材料的設(shè)計(jì)與加工過程，實(shí)現(xiàn)增材金屬的工藝參數(shù)優(yōu)化和性能預(yù)測.由此可見，機(jī)器學(xué)習(xí)在增材制造金屬領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊.然而，對于SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金的機(jī)器學(xué)習(xí)研究處于初始階段，需要更多學(xué)者來探索機(jī)器學(xué)習(xí)方法在其力學(xué)性能研究中的應(yīng)用.

圖9 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的增材制造金屬材料力學(xué)性能評價(jià)流程[108-113]Fig.9 Evaluation process of mechanical performance of AM metal materials based on machine learning

3.3 基于組分調(diào)控的性能提升

近10 年來，選區(qū)激光熔化鋁合金研究呈指數(shù)級增長趨勢，粉末制備已成為SLM 中廣泛關(guān)注的重要課題[118].由于導(dǎo)熱性優(yōu)異的鋁合金對激光具有較高的反射特性，只有AlSi10Mg 和AlSi12 這兩種合金具有小的凝固溫度范圍、高流動(dòng)性和較低的熱膨脹系數(shù)，所生產(chǎn)零件的致密度可大于99.5%，因此被廣泛應(yīng)用于選區(qū)激光熔化.這些合金在初始態(tài)和熱處理狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度在300～ 460 MPa 之間.為了滿足航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域重要結(jié)構(gòu)零件減重和生產(chǎn)復(fù)雜形狀構(gòu)件的要求，需要開發(fā)更多適用于SLM 的高強(qiáng)度鋁合金[119].針對SLM 成形鋁合金力學(xué)性能不足問題，探索通過元素或者組分匹配等方法來改善成形過程以調(diào)控SLM 成形鋁合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和缺陷，力爭達(dá)到高強(qiáng)度鋁合金的性能水平[120].

通過在SLM 專用AlSi10Mg 鋁合金粉末中添加稀土元素來提升力學(xué)性能.梁立業(yè)等人[121]提出了一種稀土Er 元素增強(qiáng)的SLM 專用AlSi10Mg 鋁合金粉末的方法.結(jié)果表明，利用Er 元素的強(qiáng)化機(jī)制，退火態(tài)SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金的強(qiáng)度提高了約20%，獲得的成形件具有更高的比強(qiáng)度，有利于航空構(gòu)件的減重，促進(jìn)了SLM 技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用.崔麗等人[122]通過在AlSi10Mg 粉末中復(fù)合添加Er 和Zr 元素，借助Er，Zr 元素的復(fù)合微合金化作用，相互降低活度，增加固溶度，并且形成了Al3(Er,Zr)相.結(jié)果表明，這種粉末成分提高了SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金的顯微硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并有效抑制再結(jié)晶，提高再結(jié)晶溫度，進(jìn)一步增強(qiáng)合金耐腐蝕性、塑形及焊接性.

在AlSi10Mg 鋁合金粉末中添加高強(qiáng)度合金粉末來提升力學(xué)性能.陸?zhàn)┑热薣123]為了解決增材制造鋁合金存在的強(qiáng)度低、剛度低和耐磨損性差等問題，在SLM 專用AlSi10Mg 合金粉末中添加TC4 鈦合金粉末.結(jié)果表明，由于鈦合金粉末對激光的吸收率更高，擴(kuò)大了鋁合金SLM 成形的工藝參數(shù)窗口；配合SLM 成形過程快速凝固的特點(diǎn)，提高了鋁基體對鈦原子的固溶度，降低了形成的Al3Ti 尺寸.固溶的鈦在SLM 之后的熱處理過程中以Al3Ti 的形式析出，這種納米尺度的Al3Ti 能夠顯著提高鋁合金的強(qiáng)度，并保持較好的塑性.此外，除了SLM 增材制造技術(shù)，夏玉峰等人[124]研究了電弧熔絲增材制造(wire and arc additive manufacturing，WAAM)鈦/鋁復(fù)合材料的組織與性能.結(jié)果表明，WAAM 成形試樣的鈦/鋁結(jié)合質(zhì)量良好，且隨著復(fù)合比(沉積鈦的厚度與金屬復(fù)合材料總厚度的比值)的增加，成形試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率增加.

在SLM 專用AlSi10Mg 鋁合金粉末中添加純元素粉末來提升力學(xué)性能.Della 等人[125]將SLM用AlSi10Mg 粉末與純Cu 粉末混合，結(jié)果表明，成形后的試樣化學(xué)成分恒定，晶粒細(xì)小，熔池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.其中，大部分試樣的致密度達(dá)90%甚至95%以上，顯微硬度值接近150 HV，與部分高強(qiáng)度合金的硬度相似，驗(yàn)證了使用這種粉末進(jìn)行SLM 成形的可行性.Aversa 等人[126]將AlSi10Mg粉末與純Ni 粉末混合，結(jié)果表明，該粉末的SLM 成形試樣組織中出現(xiàn)了Al3Ni 相，且Ni 元素的加入顯著提高了合金的硬度.以上研究表明在SLM 專用AlSi10Mg 合金粉末中添加稀土元素或高強(qiáng)度合金粉末/純元素粉末可以提升SLM 成形件的力學(xué)性能.還有一些學(xué)者將陶瓷顆粒、纖維/晶須/片狀增強(qiáng)體、金屬氧化物或樹脂等加入AlSi10Mg 鋁合金粉末，獲得了比原始鋁合金更高比強(qiáng)度與比剛度的鋁基復(fù)合材料，并應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，甚至取代一些鈦合金零部件[119-120].尤其是近年來，納米顆粒增強(qiáng)激光增材鋁合金的相關(guān)研究逐漸增多[127].Lin 等人[128]研究了TiC 納米顆粒增強(qiáng)對SLM 成形鋁基復(fù)合材料的性能影響，結(jié)果表明，在增材制造激光熔化過程中，TiC 納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合粉末的激光吸收率相較原鋁粉有著顯著提升，并且高密度且分散性良好的TiC 納米顆粒與鋁基體界面結(jié)合較強(qiáng)，成形材料具有超細(xì)晶微觀結(jié)構(gòu).因此，TiC 納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、塑性和楊氏模量均獲得提升，尤其是屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于原鋁材和其它高強(qiáng)度鋁合金.

圖10 為當(dāng)前研究中SLM 專用AlSi10Mg 鋁合金粉末的添加物分類[121-128].針對基于組分調(diào)控的SLM 成形鋁合金力學(xué)性能提升研究不應(yīng)拘泥于圖中內(nèi)容，還可以考慮其它材料，如不可焊鎳合金、高溫合金和金屬間化合物等[129].這些研究結(jié)果為SLM 成形鋁合金設(shè)計(jì)制造提供了的全新思路，在傳統(tǒng)合金的基礎(chǔ)上通過組分調(diào)控來優(yōu)化其力學(xué)性能是值得關(guān)注的研究方向.

圖10 增材制造專用鋁合金粉末的添加物分類[121-128]Fig.10 Classification of additives for the SLM AlSi10Mg alloy powder

4 結(jié)束語

增材制造在航空航天、核電能源、生物醫(yī)療和地面交通等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，而增材制造構(gòu)件的力學(xué)行為是決定其應(yīng)用的關(guān)鍵.從“制造工藝—仿真模擬—性能評價(jià)”的角度，介紹了當(dāng)前SLM 成形AlSi10Mg 合金的力學(xué)性能研究.

(1)增材制造工藝參數(shù)、建造方向和熱處理制度是影響鋁合金微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的幾個(gè)重要因素.當(dāng)前主要研究了SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金基礎(chǔ)工藝參數(shù)對微觀組織和孔隙率的影響，而SLM 成形過程中的粉末參數(shù)、激光參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等相關(guān)研究和對其力學(xué)性能的研究相對較少，有待深入研究.對于SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金建造方向的研究要結(jié)合熔池形貌、微觀結(jié)構(gòu)等來探究建造方向?qū)ζ淞W(xué)性能的具體影響機(jī)制.目前SLM 成形AlSi10Mg 合金常用的熱處理手段均源于傳統(tǒng)制造金屬的熱處理制度，針對其后續(xù)熱處理方法還有提升空間.此外，激光表面重熔、拋光、噴丸、滾壓等表面處理方法和高溫、腐蝕等服役環(huán)境對增材金屬力學(xué)性能的影響也需要關(guān)注.

(2)當(dāng)前仿真研究主要聚焦在兩個(gè)方面，一方面是對SLM 成形AlSi10Mg 合金的熱力學(xué)過程進(jìn)行模擬以優(yōu)化工藝參數(shù)，另一方面是SLM 成形件的有限元模型仿真以評價(jià)材料的力學(xué)性能.此外，基于實(shí)驗(yàn)室/同步輻射CT 的SLM 成形AlSi10Mg鋁合金缺陷有限元仿真，旨在結(jié)合材料表征技術(shù)和力學(xué)仿真來揭示材料的損傷機(jī)制，是當(dāng)前的重點(diǎn)研究方向.

(3)當(dāng)前SLM 成形AlSi10Mg 鋁合金力學(xué)性能評價(jià)的兩個(gè)研究熱點(diǎn)為基于缺陷表征的力學(xué)性能評價(jià)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的力學(xué)性能評價(jià)，提出“缺陷表征—缺陷演化—性能評價(jià)”和“工藝參數(shù)優(yōu)化—模型建立—力學(xué)性能預(yù)測”的基本研究框架.此外，在SLM 專用AlSi10Mg 鋁合金粉末中加入稀土元素或高強(qiáng)度合金粉末/純元素，以及陶瓷顆粒、纖維/晶須/片狀增強(qiáng)體、金屬氧化物或樹脂等的組分調(diào)控可以提高SLM 成形件的力學(xué)性能，是值得關(guān)注的研究方向.

綜上，如何圍繞“制造工藝—仿真模擬—性能評價(jià)”框架將上述的相關(guān)研究熱點(diǎn)相結(jié)合是深入研究增材制造金屬材料力學(xué)性能的關(guān)鍵.因此，開展“制造工藝—仿真模擬—性能評價(jià)”一體化研究是一個(gè)重要方向和課題.