這個團隊再發金屬頂刊《Acta Materialia》！3D打印鋁合金斷裂研究

激光粉末熔融技術（laser powder bed fusion, LPBF）作爲一種廣泛使用的增材制造技術，可以通過細化晶粒而獲得更高的機械性能。自下而上的層層加工模式使得材料的顯微結構極大地受到加工參數的影響，例如層厚、掃描間隙和掃描策略等。這些參數對不同金屬材料強度、塑性和各向異性的影響在學界已被研究證明。但是，對于斷裂韌性的研究比較不足，特別是對于各向異性、微觀和宏觀組織結構是如何控制和影響裂紋在LPBF材料中的産生和擴展，我們了解甚少。

近期澳大利亞新南威爾士大學增材制造團隊與德國馬普所和新加坡南洋理工大學的研究團隊合作，通過改變LPBF加工參數，不僅比較了不同加工材料在兩個正交方向上的拉伸性能，還系統地研究了在這兩個方向上的斷裂韌性控制機制。此研究深度闡述了不同加工參數（層厚、掃描間隙和掃描策略）對材料結構的影響以及進一步對不同方向上斷裂失效機制的影響，該研究團隊前期提出的基于機器學習和圖像處理的新型顯微結構特征參數Id與Is也在此文中得到進一步的應用。相關論文以題爲“Fracture resistance of AlSi10Mg fabricated by laser powder bedfusion”發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116869

本研究以AlSi10Mg作爲研究材料，通過改變LPBF加工參數，研究了其對目標材料顯微結構、熔池形態結構以及晶粒結構的影響。特有的材料微觀結構方向性導致了加工材料的各向異性。因此，不同的加工參數與性能測試方向被作爲本文的主要研究對象，對被加工的樣品實施了拉伸與斷裂的性能測試，結合結構的微觀表征與斷口分析，進行了深入的研究。

圖1. LPBF制造參數以及樣品制造方向示意圖。

圖2. 不同加工參數導致的AlSi10Mg微觀結構的差異。

圖3. 不同加工參數導致的AlSi10Mg晶體結構的差異。

本研究的結果表明，層厚和掃描間隙對拉伸性能有著較大的影響，而掃描策略則對材料的斷裂韌性有著更大的影響。此外，研究還發現，除了材料的抗斷裂曲線（R curve）表現出明顯的各向異性外，LPBF技術引入的宏觀組織結構（即熔池結構）會使材料的耐損傷、抗斷裂性進一步提高，獲得了鑄造合金無法達到的水平。由于熔池邊緣的強度普遍低于熔池內部，在不同斷裂測試方向上，裂紋發展機制受宏觀熔池結構影響較爲明顯。