增材制造性能高強鋁合金在航空航天復雜結(jié)構(gòu)成形領(lǐng)域具有重要應用前途。通過稀土元素Sc/Zr改性的Al-Mg基合金展示出了良好的適打印性以及強度-塑性協(xié)同能力，在L-PBF快速熔凝過程中極易產(chǎn)生粗晶區(qū)-細晶區(qū)呈空間有序排布的雙峰結(jié)構(gòu)。

日前，華東理工大學增材制造研究團隊報道了一種結(jié)合激光粉床熔融（LPBF）增材制造熔池溫度場數(shù)值計算邊界條件的高保真元胞自動機（CA）算法，用于精確模擬Al-Mg-Sc-Zr鋁合金在L-PBF過程中晶粒雙峰結(jié)構(gòu)的形成和演化，進而通過晶體塑性有限元（CPFEM）方法揭示了材料在拉伸變形過程中強度與塑性的協(xié)同效應；試驗研究還表明，該雙峰結(jié)構(gòu)具有良好的抗疲勞性能，并分析了在低應力循環(huán)載荷下表現(xiàn)出的各向異性。

文章以“Microstructural evolution modelling and low-stress fatigue performance of bimodal-structured Al-Mg-Sc-Zr alloy produced by laser powder bed fusion additive manufacturing”為題發(fā)表在《Virtual and Physical Prototyping》上（DOI：10.1080/17452759.2024.2346287）。論文第一作者為博士一年級研究生黃國慶，李博副教授為通訊作者，華東理工大學為唯一通訊單位。

針對L-PBF增材制造Al-Mg-Sc-Zr鋁合金呈現(xiàn)獨特的雙峰結(jié)構(gòu)特點，我們在充分考慮制造工藝要素、材料要素以及雙峰結(jié)構(gòu)的形成與演變機理等耦合條件下，致力于通過建模仿真，可視化揭示L-PBF過程和塑性變形過程中的雙峰結(jié)構(gòu)動態(tài)變化過程，可為科學闡明這類微觀結(jié)構(gòu)演變機理提供支撐。其中，激光熔池溫度場的空間分布特征是雙峰結(jié)構(gòu)形成的主要驅(qū)動因素，熔池邊界快速過冷和大量Al3(Sc/Zr)顆粒的析出可為晶粒提供充足的形核質(zhì)點，在熔池溫度梯度和冷卻速度的誘導下，晶粒按最優(yōu)取向生長，而熔池固/液界面位置的晶粒則注意通過外延生長模式在溫度梯度的方向上優(yōu)先呈現(xiàn)柱狀晶形態(tài)。我們通過結(jié)合溫度場驅(qū)動力的高保真元胞自動機（CA）算法精確的再現(xiàn)了這一結(jié)構(gòu)演變過程。針對雙峰結(jié)構(gòu)在整體材料塑性變形演變開展的數(shù)值計算，幫助我們進一步探索了雙峰結(jié)構(gòu)在拉伸準靜態(tài)加載和疲勞循環(huán)載荷作用下的整體力學性能及微觀組織演變特征。

通過對比鑄造、打印態(tài)和打印后時效態(tài)樣品的準靜態(tài)拉伸測試，認為時效態(tài)優(yōu)異的強度優(yōu)勢歸因于快速凝固過程中Al-Mg-Sc-Zr鋁合金的晶粒細化效應，以及時效過程中大量Al3(Sc/Zr)二次相顆粒的析出強化作用；運用晶體塑性有限元（CPFEM）算法仿真和計算了這種雙峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)的局部應變非均勻性及整體結(jié)構(gòu)在力學性能上體現(xiàn)的各向異性，揭示了細晶區(qū)FG和粗晶區(qū)CG的空間有序分布對于整體強度-塑性協(xié)同效應具有顯著的影響；進一步地，通過循環(huán)載荷試驗展示了其在低應力疲勞載荷下的整體性能，而在低應力作用下的疲勞壽命展現(xiàn)出的各向異性卻與準靜態(tài)拉伸行為截然相反；此外，該工作也關(guān)注并實驗驗證了L-PBF激光掃描策略所導致的細晶區(qū)、粗晶區(qū)空間分布差異性，這種雙峰結(jié)構(gòu)的分布策略可通過工藝手段實現(xiàn)人工調(diào)控，細晶區(qū)、粗晶區(qū)在空間分布上的交錯性和排布形式對材料整體的阻裂能力和疲勞壽命具有顯著影響。

圖1 元胞自動機模型示意圖

圖2 單激光熔池晶粒生長的數(shù)值模擬結(jié)果。（a）晶粒生長過程的三維顯示；Z-Y平面（b）、X-Z平面（c）和Y-X平面（d）的截面圖。

圖3 激光熔池凝固過程數(shù)值模擬過程中微觀結(jié)構(gòu)演變過程的顯示圖：（a）激光熔池Y-Z截面的微觀結(jié)構(gòu)演變圖，分為六張圖，展示了從晶粒形核到完全凝固的過程；（b）激光熔池X-Z截面的微觀結(jié)構(gòu)演變圖，也分為六張圖，顯示了從晶粒形核到完全凝固的過程。

圖4 （a）通過掃描策略1制備的LPBF樣品，平行于BD方向的橫截面在腐蝕后呈現(xiàn)規(guī)則的魚鱗形貌；（b）EBSD-IPF地圖的魚鱗區(qū)域，反映了顆粒形態(tài)；（c）基于掃描間距和粉末層厚度的實驗參數(shù)，對多道次和多層熔池凝固后的微觀結(jié)構(gòu)形貌圖進行了數(shù)值計算。

圖5 EBSD揭示了老化樣品的微觀結(jié)構(gòu)：（a）反極圖（IPF_X）的偽三維視圖；（b）三維視圖中每個表面的粒度分布圖；垂直于SD（c）、BD（d）和TD（e）方向的平面上的EBSD結(jié)果（IPF_X和PF圖）；（f）圖（e）中方框區(qū)域的放大圖。

圖6 竣工和老化樣品的TEM分析：（a）FG區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的TEM概覽圖像；（b）（a）中黃色區(qū)域的進一步放大圖像，反映FG區(qū)域中晶粒的形態(tài)和尺寸，箭頭突出顯示GB；（c）（b）中藍色區(qū)域的元素組成的能譜；（d）反映了FG區(qū)中Al3（Sc/Zr）沉淀物的分布；（e）（d）中黃色區(qū)域的放大圖，顯示沉淀物的形狀和尺寸；（f）Al3（Sc/Zr）顆粒通過快速傅立葉變換（FFT）和（e）的逆傅立葉變換顯示出相干性。時效樣品中Al3（Sc/Zr）沉淀的分布圖（h和j）和放大圖（i和k）。

圖7 （a）不同工藝和施工方向的樣品拉伸性能的工程應力-應變曲線；（b）不同工藝和施工方向樣品拉伸性能的真實應力-應變曲線。

圖8 使用CPFEM對雙峰結(jié)構(gòu)RVE模型進行拉伸實驗的數(shù)值計算結(jié)果：（a）RVE模型沿X或Y方向單軸拉伸的工程應力-應變曲線的數(shù)值計算成果；（b）當沿著X方向拉伸到（a）中的標簽位置時，對應模型的Mises應力分布云圖；（c）當沿著Y方向拉伸到（a）中的標簽位置時，對應模型的Mises應力分布云圖。

圖9 Al-Mg-Sc-Zr合金拉伸前微觀結(jié)構(gòu)的EBSD表征結(jié)果（IPF_X、PF和KAM圖）：As aged-V（a，d）；As aged-H（b，e）；As cast（c，f）。以及Al-Mg-Sc-Zr合金拉伸后微觀結(jié)構(gòu)的EBSD表征結(jié)果（IPF_X、PF和KAM圖）：As aged-V（g，j）；As aged-H（H，k）；As cast（i，l）。

圖10 基于圖8b中拉伸模型沿X方向的應變數(shù)據(jù)，根據(jù)2%至10%的整體應變變化繪制了沿X方向上的平均應變分布。

圖11 （a）在R=0.1時，具有不同L-PBF構(gòu)建方向的樣品的疲勞試驗的S-N數(shù)據(jù)；（b）在R=0.1和120MPa應力振幅下，采用不同掃描策略對As時效-V樣品進行疲勞試驗的S-N數(shù)據(jù)。

在本研究中，我們采用LPBF技術(shù)和隨后的HT工藝制備了具有由Al基體的FG區(qū)和CG區(qū)組成的雙峰非均勻結(jié)構(gòu)的高強度Al-Mg-Sc-Zr合金。我們使用實驗和數(shù)值模擬方法研究了制備工藝對Al-Mg-Sc-Zr合金微觀組織演變和性能的影響?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

（1）LPBF Al-Mg-Sc-Zr合金中雙峰非均勻結(jié)構(gòu)的形成歸因于其連續(xù)的工藝特征。我們的溫度場耦合CA模型有效地模擬了熔化和凝固過程中的異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶粒生長過程，從而深入了解了FG和CG區(qū)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)演化機制。具有主導取向的CG區(qū)晶粒在熔池中沿溫度梯度方向生長。通過與EBSD顆粒IPF圖的比較，證實了我們的CA模型的有效性。

（2）拉伸試驗證實，與鑄態(tài)樣品相比，經(jīng)LPBF工藝和時效處理的時效樣品的強度和塑性有很大提高。我們使用CPFEM方法來計算和分析雙峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非均勻微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系。研究揭示了L-PBF過程形成的雙峰結(jié)構(gòu)的固有聯(lián)系中的各向異性。時效樣品的雙峰結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷作用下具有優(yōu)異的抗疲勞性能。

（3）我們發(fā)現(xiàn)，具有較低伸長率的V方向樣品的抗疲勞性甚至更好。這與雙峰結(jié)構(gòu)的各向異性密切相關(guān)。此外，不同掃描策略帶來的不同分布模式的雙峰結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能也有很大差異，值得進一步深入研究。