本文介紹西南交通大學(xué)吳圣川教授團(tuán)隊(duì)等最近在Acta Materialia上發(fā)表的關(guān)于3D打印鋁合金損傷斷裂機(jī)理的研究論文。

　　通過原位同步輻射X射線斷層掃描研究3D打印AlSi10Mg合金的關(guān)鍵損傷事件

　　【背景和問題】

　　增材制造（AM）金屬因獨(dú)特的熔池結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷（如未熔合、氣孔等），在服役載荷下易發(fā)生性能分散，尤其是疲勞承載部件。盡管通過工藝優(yōu)化可減少缺陷，但完全消除微觀缺陷仍不可行。熔池邊界（MPB）與缺陷的空間交互作用及其對(duì)損傷機(jī)制的影響尚不明確，制約了AM金屬在關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　本文聚焦激光粉末床熔融（L-PBF）成型的AlSi10Mg合金，探究其在拉伸、低周疲勞（LCF）和高周疲勞（HCF）載荷下的損傷演化規(guī)律。

　　【主要方法】

　　原位同步輻射成像：利用上海同步輻射光源（SSRF）進(jìn)行原位X射線斷層掃描（CT）和衍射（SXRD），實(shí)時(shí)追蹤拉伸、LCF和HCF載荷下的損傷萌生與擴(kuò)展，空間分辨率達(dá)3.25μm。

　　多尺度表征：結(jié)合納米壓痕、EBSD、TEM分析熔池結(jié)構(gòu)特征，并通過等離子聚焦離子束（PFIB）提取微柱進(jìn)行納米CT（分辨率100 nm），觀測(cè)微孔洞形核。

　　物理機(jī)器學(xué)習(xí)模型：基于缺陷尺寸（√area）、形貌（球形度）、取向（α）和位置（f???·sinα/2h）四個(gè)三維幾何參數(shù)，構(gòu)建物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PINN），預(yù)測(cè)疲勞壽命，并通過物理約束（如?N_f/?√area≤0）提升模型可靠性。

　　【結(jié)果和意義】

　　損傷機(jī)制轉(zhuǎn)變：

　　HCF（低于屈服強(qiáng)度）：疲勞裂紋起源于表面或近表面缺陷，熔池邊界對(duì)擴(kuò)展路徑影響微弱，壽命分散性大。

　　LCF/拉伸（高于屈服強(qiáng)度）：損傷累積始于熔池邊界，微孔洞沿MPB形核，裂紋沿弱化MPB擴(kuò)展，呈曲折路徑。

　　機(jī)制過渡：當(dāng)塑性區(qū)尺寸從HCF向LCF/拉伸增大時(shí)，短裂紋擴(kuò)展從“缺陷主導(dǎo)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭鄢亟Y(jié)構(gòu)敏感”。

　　微觀機(jī)制：

　　LCF載荷下，硅相殘余拉應(yīng)力超800 MPa（鋁相壓應(yīng)力平衡），導(dǎo)致位錯(cuò)在MPB處堆積，引發(fā)微孔洞。

　　HCF裂紋擴(kuò)展初期為穿晶模式（I型），當(dāng)塑性區(qū)尺寸超越晶粒尺度后轉(zhuǎn)向沿MPB擴(kuò)展（III區(qū)）。

　　預(yù)測(cè)模型：

　　PINN模型整合缺陷三維特征與物理約束，預(yù)測(cè)誤差較傳統(tǒng)ANN降低，大部分壽命預(yù)測(cè)值位于兩倍誤差帶內(nèi)，為AM部件無損壽命評(píng)估提供新范式。

　　本研究揭示了AM金屬損傷機(jī)制對(duì)載荷類型的依賴性，為針對(duì)性優(yōu)化工藝（如調(diào)控熔池結(jié)構(gòu)）提供理論支撐；提出的三維缺陷量化與物理機(jī)器學(xué)習(xí)框架，可推廣至其他AM材料疲勞壽命預(yù)測(cè)，推動(dòng)"工藝-成像-性能"多尺度設(shè)計(jì)體系的工程應(yīng)用。

　　【論文信息】

　　Critical damage events of 3D printed AlSi10Mg alloy via in situ synchrotron X-ray tomography

　　Zhengkai Wu,Shengchuan Wu,Jamie J.Kruzic,Yanan Hu,Huan Yu,Xingxing Zhang,Xiaopeng Li,Qingyuan Wang,Guozheng Kang,Philip J.Withers

　　通訊作者：吳圣川（西南交通大學(xué)）、Philip J.Withers（英國(guó)曼徹斯特大學(xué)）

　　Acta Materialia,282,120464,2025

　　https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120464

論文部分圖片，Zhengkai Wu et al.,Acta Mater.,2025