本文探討了增材製造鋁合金過程中的各種缺陷，並研究了相關(guan) 的方法。

摘要

鋁(Al)合金用於(yu) 增材製造(AM)最近得到了顯著的關(guan) 注，特別是在航空航天行業(ye) 。這導致引入了新的高強度鋁合金，該合金與(yu) AM工藝更兼容。然而，在將這些新開發的鋁合金用於(yu) 安全關(guan) 鍵承重應用之前，研究其結構完整性至關(guan) 重要。本研究調查並比較了通過激光束粉末床熔合（LB-PBF）AM工藝製造的五種不同當代鋁合金的微觀結構、孔隙率和疲勞行為(wei) 。

本研究用AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357製作垂直和水平構建的試樣，以捕捉構建方向對這些合金結構完整性的任何影響。盡管垂直和水平試樣的微觀/缺陷結構存在差異，但未觀察到AlSi10Mg、Scalmalloy和AD1合金的疲勞行為(wei) 存在顯著的構建方向依賴性。然而，AlF357和QuesTek Al在高周疲勞狀態下表現出一些各向異性行為(wei) 。在所研究的LB-PBF鋁合金中，Scalmalloy和AD1具有最高的疲勞抗力，這歸因於(yu) 它們(men) 的超微細組織。

插圖：圖形摘要

1.介紹

增材製造（AM）正迅速成為(wei) 一種戰略技術，在國防、航空航天、汽車和生物醫學等各個(ge) 行業(ye) 產(chan) 生收入。這些行業(ye) 可以從(cong) AM的巨大好處中獲得價(jia) 值，例如製造具有複雜幾何形狀的近淨形狀零件、縮短交付周期、因設計自由而減少部件重量、潛在成本降低以及環保生產(chan) 。除了各種優(you) 勢外，AM技術還麵臨(lin) 許多挑戰。AM工藝獨特的熱曆史（即高冷卻/凝固速率、熱梯度等）通常會(hui) 導致殘餘(yu) 應力、微觀結構各向異性、表麵粗糙度，並導致體(ti) 積缺陷（例如氣孔和未熔合（LOF））的形成。

上圖顯示了光學應用中生長200mm晶體(ti) 的模擬溫度和應力分布。雖然溫度分布看起來相當均勻，但熱彈性應力分布顯示了一個(ge) 非常不同的畫麵，高應力集中在晶體(ti) 邊緣，接近固體(ti) /熔體(ti) 界麵。很明顯，當超過臨(lin) 界應力水平時，這將是位錯成核的有利位置。

盡管缺陷（如表麵粗糙度、孔隙和LoF）對靜態性能的影響可能最小，但這些缺陷會(hui) 顯著惡化AM零件的疲勞性能。最近的研究報告，缺陷是AM金屬材料疲勞結果分散的來源。工藝誘發缺陷（即孔隙、LoF）的有害影響不限於(yu) AM材料的室溫疲勞行為(wei) 。在疲勞過程中，Bao等人報告的循環變形會(hui) 導致微孔破裂。

目前已經進行了許多研究來研究各種AM金屬材料的疲勞行為(wei) ；這些工作的大部分集中在鈦合金、不鏽鋼和鎳超級合金上。近年來，鋁合金通過AM工藝製造零件引起了廣泛關(guan) 注。鋁合金以其高強度重量比、足夠的淬透性、良好的耐腐蝕性和優(you) 異的焊接性而聞名，使其適合廣泛應用，特別是在航空航天工業(ye) 。然而，與(yu) 其他材料相比，鋁合金的AM更具挑戰性；鋁粉顆粒本身重量輕，流動性差，由於(yu) 鋁的親(qin) 水性而吸引水分，並且具有高導熱性。此外，鋁粉顆粒極易氧化，其低熔體(ti) 粘度促進了氣孔的形成。鋁合金製造過程中的此類問題可能導致零件出現缺陷，從(cong) 而影響其機械性能，尤其是疲勞性能。

如圖，由於(yu) “幹”二氧化矽(少於(yu) 1%的水)的主要變化包括粘度增加(增加50%)，硬度降低和高應變模量增加。高粘度和低硬度的結合可能是水合二氧化矽所特有的，需要加以解釋。在這種情況下，包含矽烷偶聯效應(化合物C)和這三種化合物的掃描電子顯微圖提供了啟示。

與(yu) 鍛造鋁合金（如AA6061，A7075）相比，鋁矽鑄造合金（如AlSi10Mg）通常更容易通過AM進行加工。有相當多的論文介紹了影響AM AlSi10Mg疲勞性能的各種參數。Jian等人研究了粉末粒度對激光束粉末床熔融（LB-PBF）AlSi10Mg的高周疲勞（HCF）和超高周疲勞（VHCF）行為(wei) 的影響。結果表明，在非熱處理（NHT）條件下，使用較小的粉末顆粒可降低孔隙度，從(cong) 而提高LB-PBF AlSi10Mg的疲勞強度。

Wu等人研究了體(ti) 積缺陷尺寸和數量以及LoF缺陷相對於(yu) 加載方向的方向對LB-PBF AlSi10Mg疲勞各向異性行為(wei) 的影響。與(yu) 加載方向垂直於(yu) 構建方向的情況相比，當加載方向平行於(yu) 構建方向時，報告的延性和疲勞強度較低。這歸因於(yu) LoF缺陷在垂直於(yu) 加載方向的平麵上的投影麵積大小，當加載方向平行於(yu) 構建方向時，投影麵積更大。

Maskery等人研究了熱處理的效果，並報告了進行T6熱處理(即，520◦固溶1h，水淬，然後160◦空冷時效6h)可提高LB-PBF AlSi10Mg的延展性和抗疲勞性。此外，Ngnekou等人發現，t6型熱處理(即在540◦C下固溶8h，然後在160◦C風冷時效10h)提高了ma材料的抗疲勞性能。結果表明，LB-PBF AlSi10Mg的疲勞性能存在結構取向依賴性。

這與(yu) 不同構建方向的缺陷特征（即尺寸、形狀、頻率等）以及應用T6型熱處理後材料對缺陷存在的敏感性增加有關(guan) 。LB-PBF AlSi10Mg的EOS數據表表明，T6型熱處理可能不是該材料的最佳選擇。傳(chuan) 統的T6熱處理對於(yu) 某些砂型鑄造鋁合金（如AlSi7Mg0.6）來說具有挑戰性，因為(wei) 可能會(hui) 形成起泡氫氣孔。因此，EOS建議僅(jin) 進行應力消除，而非T6熱處理。

超聲波檢測(UT)技術在風電行業(ye) 廣泛應用於(yu) WT塔架和葉片的結構評估如圖，超聲波傳(chuan) 播特性可以對檢測到的缺陷的位置和類型進行估計，從(cong) 而為(wei) 確定渦輪主要部件的材料性能提供了可靠的方法。

文獻中對AM-AlSi7Mg的疲勞行為(wei) 也有有限的研究；Lesperance等人利用超聲波檢測研究了LB-PBF AlSi7Mg的VHCF行為(wei) ，並將結果與(yu) 鑄造A356合金的結果進行了比較，並報告了類似的VHCF行為(wei) 。另一種AM鋁合金是A357，它是A356合金的改進版，具有更高的強度；雖然有一些關(guan) 於(yu) LB-PBF A357的工藝優(you) 化和微觀結構表征的研究，但文獻中關(guan) 於(yu) 該合金疲勞性能的研究並不多。

在一項研究中，Bassoli等人研究了LB-PBF AlA357在NHT條件下的疲勞行為(wei) ，並報告了與(yu) LB-PBF AlSi10Mg合金類似的疲勞行為(wei) 。最近，ALP357合金（AlA357合金的無鈹衍生物）也被引入AM社區。然而，本研究文獻中沒有關(guan) 於(yu) 疲勞的數據。

Scalmalloy由空中客車APWorks引入，是最近開發的AM用鋁合金之一。該合金具有高屈服強度和極限抗拉強度，同時具有可接受的延展性，因為(wei) 其獨特的微觀結構由納米尺寸的晶粒和納米尺寸的Al3（Sc，Zr）沉澱組成。文獻中隻有少數關(guan) 於(yu) Scalmalloy疲勞行為(wei) 的研究表明，LB-PBF Scalmalloy的疲勞性能優(you) 於(yu) LB-PBF AlSi10Mg。

Muhammad等人最近比較了LB-PBF AlSi10Mg、Scalmalloy和QuesTek Innovations LLC開發的一種新鋁合金的疲勞性能。他們(men) 報告稱，與(yu) 其他鋁合金相比，Scalmalloy具有更高的抗疲勞性，這歸因於(yu) 其更高的韌性（即高的抗拉強度和延展性）歸因於(yu) 其獨特的納米尺寸微觀結構。

雙相不鏽鋼熱影響區組織比較。蝕刻:電解硫酸:(a)舊(低氮)，× 63;(b)現代(高氮)，× 100。焊接冶金在雙相不鏽鋼的合金發展中起著關(guan) 鍵作用。早期品係碳含量較高，易形成富鐵氧體(ti) 熱影響區(HAZ)。盡管這些高碳水平導致了一些奧氏體(ti) 的重組，但這也導致了碳化物的析出和抗晶間腐蝕(IGC)的損失。後期品係的碳含量較低，但高Cr/Ni比值增強了熱影響區富鐵素體(ti) 組織，促進了晶粒的生長。

考慮到AM合金的不斷發展，特別是Al合金具有不同的微觀組織特征(如晶粒形態和尺寸、析出相等)，根據美國製造商和ANSI增材製造標準化合作組織（AMSC）編製的AM標準化路線圖，對其疲勞性能 mante進行研究，對於(yu) 填補FMP1在“材料性能”方麵的空白至關(guan) 重要。根據這一目標，本研究旨在研究某些當代LB-PBF鋁合金疲勞性能中的潛在各向異性，並將其與(yu) 微觀/缺陷結構（即微觀結構和微觀尺度上的缺陷結構）相關(guan) 聯。

由於(yu) 存在體(ti) 積缺陷，這些具有不同微觀結構特征（即晶粒結構、沉澱等）且通常具有更好拉伸強度的合金可能具有或可能不具有更好的疲勞性能。此外，已經證明零件經曆的熱曆史在不同的構建方向上是不同的，這可能導致由於(yu) 缺陷類型、尺寸和總體(ti) 的變化而導致機械行為(wei) 的各向異性。因此，有必要對不同構造取向的LB-PBF Al試樣進行數據生成和疲勞性能評價(jia) 。

本文按以下順序組織：第2節詳細介紹了材料和方法。第3節介紹了試驗結果，包括微觀/缺陷結構分析和疲勞數據。第4節討論了LB-PBF鋁合金的疲勞行為(wei) ，並將其與(yu) 微觀/缺陷結構相關(guan) 聯。最後，根據本研究中的實驗觀察得出一些結論，並在第5節中列出。

2.材料和方法

2.1. 鋁合金

在本研究中，使用五種不同的預合金化氣體(ti) 霧化鋁粉來製備試樣；表1列出了每種合金的化學成分、粉末粒度範圍和粉末製造商，粉末顆粒的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖1所示。但是，為(wei) 保密起見，未列出AD1的詳細化學成分；AD1是一種新開發的經熱處理後具有高強度的Al-Mg-Zr合金。AlF357是AlA357和AlA356的一種不含鈹的衍生物，其開發目的是避免環境和健康風險，與(yu) AlA357合金相比強度略有降低。據報道，QuesTek Al是一種高強度、高耐腐蝕、低成本的合金（因為(wei) 它不含昂貴的合金元素）。

表1 本研究中使用的鋁粉的化學成分由相應的粉末製造商報告。

圖1 LB-PBF鋁粉顆粒的SEM圖像:(a) AlSi10Mg，(b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al，(d) AD1， (e) AlF357。

2.2. 試樣製作

試樣在氬氣保護下通過LB-PBF工藝EOS M290製備。必須指出的是，EOS推薦的工藝參數用於(yu) AlSi10Mg、AD1和AlF357合金，而用於(yu) 製造Scalmalloy和QuesTek Al的工藝參數不一定是最優(you) 化的。Scalmalloy使用的工藝參數根據進行了修改，QuesTek InnovationsLLC針對EOS M280建議了QuesTek Al的工藝參數，如表2所示。必須注意的是，為(wei) 保密起見，未提供其他合金的詳細默認EOS工藝參數。然而，所有合金都采用了類似的條帶掃描策略。

表2 本研究中所研究的每種鋁合金的LB-PBF工藝參數。

垂直試樣直接沉積到構建板上，而水平試樣則在支撐結構頂部製造。構建布局以及粉末擴散和氬氣流動方向如圖2（a）所示。所有試樣在製造後均采用表3所列每種合金的推薦程序進行熱處理。根據製造商的數據表，LB-PBF AlSi10Mg的熱處理程序采用了AlF357，報告為(wei) 這些合金的最佳熱處理。QuesTek Innovations LLC.和EOS分別建議LB-PBF QuesTek Al和AD1的熱處理程序。

圖2 (a)結構布局圖，以及(b)按照ASTM E606加工疲勞試樣後的最終幾何圖形圖(注意，尺寸為(wei) ' mm '，所示的結構方向對應於(yu) 垂直試樣)。

表3 LB-PBF Al試樣後處理采用的熱處理工藝。采用了AlSi10Mg、Scalmalloy和QuesTek鋁合金的熱處理工藝，采用AlF357的熱處理工藝，EOS提出了AD1的熱處理工藝。

對於(yu) Scalmalloy合金，應用的熱處理程序已被報告為(wei) 該合金的最佳熱處理，從(cong) 而產(chan) 生最高的抗拉強度和可接受的延展性。熱處理LB-PBF鋁合金的拉伸性能采用文獻中的兩(liang) 種構建方向（即垂直和水平），並在表4中列出。

表4 LB-PBF Al合金的拉伸性能參考文獻，熱處理工藝如表3所示。請注意，AD1的屬性已由EOS提供。

LB-PBF AlSi10Mg、Scalmalloy和QuesTek Al的熱處理溫度均低於(yu) 其溶質電離溫度（即450–575攝氏度）。然而，AlF357合金經曆了T6兩(liang) 階段熱處理，包括溶質化和時效程序。在將試樣從(cong) 預製板上取下之前進行熱處理，以避免在切割過程中由於(yu) 殘餘(yu) 應力而變形。采用熱電偶控製的箱式爐在氬氣氣氛下進行熱處理，將構建板從(cong) 室溫加熱到目標溫度，以避免氧化。熱處理後，將試樣從(cong) 成型板上切割下來，並按照ASTM E606[43]的要求，進一步加工成圓柱形試樣的最終幾何形狀，以進行疲勞試驗，如圖2（b）所示。

2.3. 微缺陷結構表征

通過電子背散射衍射（EBSD）分析，在平行和垂直於(yu) 構建方向的平麵上對LB-PBF鋁合金的微觀結構進行了表征。在進行EBSD分析之前，對試樣進行切割、研磨和拋光。使用蔡司550橫梁FIB/SEM和牛津EBSD檢測器進行EBSD分析。掃描采用1200倍放大時的步長為(wei) µm，使用Oxford的AzTecCrystal軟件對數據進行後處理。使用蔡司XRIDIA 620係統進行X射線CT掃描，以可視化製造零件內(nei) 的體(ti) 積缺陷。掃描是在6.5mm長度的機器疲勞試樣的量規部分的中間進行的。

2.4. 疲勞試驗和斷口分析

單軸完全反轉（Rε=εmin/εmax=−1）應變控製疲勞試驗是根據ASTM E606標準，使用MTS landmark伺服液壓試驗機進行的，該試驗機具有100千牛稱重傳(chuan) 感器。對兩(liang) 種不同的應變振幅水平0.002進行疲勞試驗毫米/毫米和0.003毫米/毫米。為(wei) 了控製試驗並測量應變計部分的應變，在兩(liang) 個(ge) 塗有丙烯酸塗層的位置將MTS機械伸長計連接到應變計部分，以避免伸長計葉片的任何滑動和劃痕。為(wei) 確保結果的確定性，在每種材料的每個(ge) 應變振幅水平上進行了三次試驗。為(wei) 了研究失效機理，對所選試樣的斷裂麵進行了斷口分析。在進行斷口分析之前，對斷口表麵進行了超聲波處理和清潔。

3.實驗結果

本節介紹了所研究LB-PBF鋁合金微觀/缺陷結構和疲勞行為(wei) 的實驗觀察結果。通過斷口分析研究了這些合金的疲勞失效機理。第4節進一步討論了這些鋁合金的結構-性能關(guan) 係。

3.1. LB-PBF鋁合金的顯微組織

熱處理垂直和水平LB-PBF鋁試樣的微觀結構表征結果如圖3所示。該圖中的示意圖顯示了垂直和水平試樣微觀結構特征所在的平麵。此處給出的XYZ坐標基於(yu) 中建議的坐標；構建方向也由平行於(yu) Z軸的黑色箭頭顯示。逆極點圖（IPF）貼圖顯示在XY平麵（即垂直於(yu) 構建方向）和XZ平麵（即平行於(yu) 構建方向）上。

圖3 垂直和水平LB-PBF Al試樣的顯微組織以及(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357的IPF組。

垂直試樣的微觀結構顯示在XY和XZ平麵上，而水平試樣的微觀結構僅(jin) 顯示在XZ平麵上；由於(yu) 圓形橫截麵，將試樣從(cong) 構建平台上移除後，不容易找到水平試樣的精確XY平麵（即垂直於(yu) 構建方向）。平行於(yu) X、Y和Z軸的IPF組顯示在相應的貼圖下方，以捕捉晶粒沿不同方向的結晶取向。

不同構建方向的示意圖中也顯示了加載方向。必須注意，垂直試樣的加載方向平行於(yu) Z軸（即平行於(yu) IPF圖所示晶粒的結晶方向），而水平試樣的加載方向平行於(yu) Y軸（即垂直於(yu) IPF圖所示晶粒的結晶方向）。因此，為(wei) 了將加載方向與(yu) 晶粒的晶體(ti) 取向相關(guan) 聯，應分析垂直試樣平行於(yu) Z軸的IPF和水平試樣平行於(yu) Y軸的IPF。

3.1.1. 顆粒結構

對於(yu) 所有LB-PBF鋁合金，即使在進行熱處理後，也可以觀察到AM工藝誘發的典型晶粒結構，即柱狀晶粒和主要圍繞熔池邊界的等軸晶粒（見圖3）。發現垂直和水平LB-PBF鋁試樣在XZ平麵（即平行於(yu) 構建方向）上的晶粒結構非常相似。

同樣，XY平麵上的晶粒結構（參見圖3中的第一列）預計在垂直和水平試樣中類似，包括在XZ平麵上看到的柱狀晶粒的等軸視圖。LB-PBF AlSi10Mg（見圖3（a））的晶粒結構與(yu) QuesTek Al（見圖3（c））和AlF357（見圖3（e））合金的晶粒結構相似，主要包括拉長的柱狀晶粒以及XZ平麵上熔體(ti) 池邊界周圍的等軸晶粒和XY平麵上的等軸晶粒。

可以看出，與(yu) 其他合金相比，Scalmalloy（圖3（b））和AD1（圖3（d））具有超細晶粒結構，包括超細/納米尺寸的等軸晶粒以及更細化的柱狀晶粒。然而，LB-PBF AD1合金微觀結構中的等軸晶粒（圖3（d））不限於(yu) 熔池邊界周圍的區域，這是Scalmalloy的情況。此外，AD1中的柱狀晶粒似乎比Scalmalloy中的柱狀晶粒更細。這可能是由於(yu) Scalmalloy和AD1的化學成分不同，以及用於(yu) 製造這些合金的工藝參數不同。

值得注意的是，Scalmalloy和AD1微觀結構中的黑色區域（分別為(wei) 圖3（b）和（d））歸因於(yu) 熔體(ti) 池周圍具有納米尺寸晶粒的區域，其無法用EBSD掃描所用的步長來表征。LB-PBF Scalmalloy和AD1（Al-Mg-Zr合金）中的超細/納米尺寸等軸晶粒是由於(yu) 存在一致的納米尺寸Al3Sc和Al3Zr沉澱物形成的，這些沉澱物作為(wei) 晶粒生長抑製劑以及異質晶粒形核位置。

使用EBSD進行粒度分析，結果如圖4所示。可以看出，垂直和水平試樣之間的粒度沒有差異（標準偏差誤差條也重疊）。LB-PBFScalmalloy和AD1試樣具有幾乎相同的平均晶粒尺寸（注意，納米尺寸晶粒，圖3中IPF圖中的黑色區域不包括在內(nei) ），與(yu) 其他合金相比，其更細。LB-PBF AlSi10Mg、QuesTek Al和AlF357的晶粒尺寸幾乎相似。

圖4 垂直和水平LB-PBF Al試樣的平均晶粒尺寸。標準偏差誤差棒也包括在內(nei) 。

3.1.2. 晶粒的晶體(ti) 學取向

總的來說<001> 是立方結構材料（即麵心立方（FCC）和體(ti) 心立方（BCC））中的首選晶粒生長方向，也是大多數AM材料在非熱處理（NHT）條件下的著名晶粒取向之一。這主要是由於(yu) 高冷卻速率和朝向構建平台的傳(chuan) 導熱傳(chuan) 遞導致外延晶粒生長。

LB-PBF鋁合金晶粒的結晶取向平行於(yu) 構建方向，可從(cong) 圖3中的IPF//Z軸觀察到。可以看出，AlSi10Mg（圖3（a）中的垂直和水平）和Scalmalloy（圖3（b）中的垂直和水平）具有<001> 首選晶粒取向，而QuesTekAl（圖3（c）中的垂直和水平）和AD1（圖3（d）中的垂直和水平）中的晶粒幾乎是隨機取向的。對於(yu) AlF357合金（圖3（e）），垂直試樣的<001>-定向晶粒，而水平試樣幾乎具有隨機定向晶粒，且紋理較弱（即垂直試樣的強度為(wei) 2.57，而水平試樣的強度為(wei) 1.8）。

必須注意的是，對AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al和AD1進行的熱處理低於(yu) 溶質化溫度，被視為(wei) 應力消除熱處理，預計不會(hui) 改變晶粒的晶體(ti) 結構。因此，晶粒的晶體(ti) 取向仍然是從(cong) 製造過程中繼承的。然而，據報道，高熱量輸入，換句話說，較低的冷卻/凝固速率，可能會(hui) 在製造過程中改變晶粒的晶體(ti) 取向。然而，對於(yu) AlF357合金，晶粒的晶體(ti) 取向和織構強度可能受到所采用的熱處理程序的影響（即，先溶解，然後時效）。

3.2. LB-PBF鋁合金的缺陷結構

圖5顯示了垂直和水平LB-PBF鋁試樣計量截麵中6.5 mm長X 5 mm直徑體(ti) 積的X射線CT掃描結果和缺陷密度（即缺陷的累積體(ti) 積百分比）。從(cong) 圖5可以看出，與(yu) 垂直試樣相比，AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al和AlF357合金的水平試樣具有更高水平的體(ti) 積缺陷。這可能歸因於(yu) 垂直和水平試樣經曆的熱曆史變化。

圖5 X射線CT結果來自疲勞試樣的尺寸截麵上6.5 mm長X 5mm直徑的體(ti) 積，顯示垂直和水平LB-PBF Al試樣的孔隙率:(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357。統計結果見(f)。

然而，垂直和水平Scalmalloy和AD1試樣的缺陷密度變化較小；這可歸因於(yu) 這些合金的熱性能（例如，熱擴散率、熱導率）。據報道，與(yu) Al-Si合金係統相比，Al-Mg-Zr合金具有較低的熱擴散率，因此導熱係數約低約30%。這種較低的熱導率可能是垂直方向和水平方向之間的缺陷密度變化比其他合金小的原因（見圖5）。

對於(yu) Scalmalloy也報告了類似的相對較低的導熱係數（比Al-Si合金低約30%）。然而，必須考慮的是，用於(yu) 製造Scalmalloy的工藝參數不一定是最優(you) 化的，這導致這些試樣中的孔隙率較高。同時，與(yu) AlSi10MgQuesTek Al和AlF357相比，垂直和水平Scalmalloy試樣之間的缺陷密度變化較小。

根據圖5（f）所示的結果，AlSi10Mg和AD1合金最有可能具有最佳工藝參數，因為(wei) 與(yu) 其他鋁合金相比，它們(men) 的缺陷密度要小得多。雖然使用了優(you) 化的工藝參數，但在AlF357中觀察到高缺陷密度，這可能是由於(yu) 其高導熱性。此外，通過進行T6熱處理，AlF357中的孔隙率可能已增加。

Devanti等人報告了LB-PBF AlA357合金經過T6熱處理後體(ti) 積缺陷的形成甚至擴大，該合金與(yu) AlF357非常相似。必須注意的是，QuesTek Al試樣中的高缺陷密度歸因於(yu) 這樣一個(ge) 事實，即用於(yu) 該合金的工藝參數不一定是最優(you) 化的。然而，Muhammad等人報告了LB-PBF QuesTek al和Scalmalloy的可接受疲勞行為(wei) ，其製造工藝參數與(yu) 本研究中使用的工藝參數類似。

垂直和水平LB-PBF鋁試樣的體(ti) 積缺陷尺寸分布如圖6所示。體(ti) 積缺陷通過總掃描體(ti) 積進行歸一化。值得一提的是，在本研究中掃描的所有LB-PBF鋁試樣中均觀察到氣體(ti) 滯留孔和LoF缺陷。然而，為(wei) 了簡單和比較，在本研究中，對於(yu) 氣體(ti) 截留孔隙或LOF，缺陷的等效球形體(ti) 積的直徑被視為(wei) 體(ti) 積缺陷的大小。

圖6 (a)垂直和(b)水平LB-PBF Al試樣的體(ti) 積缺陷尺寸分布。

可以看到，在所有的鋁合金中，大多數缺陷的尺寸範圍為(wei) [20−30)µm(注意，本研究中沒有考慮小於(yu) 20µm的缺陷)，特別是Scalmalloy、QuesTek Al和ALF357。然而，疲勞裂紋傾(qing) 向於(yu) 從(cong) 較大的缺陷開始。從(cong) 圖6(a)可以看出，垂直試樣中Scalmalloy和AlF357的缺陷大於(yu) 40µm，而掃描的QuesTek和AD1試樣沒有任何大於(yu) 40µm的缺陷。

AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357掃描試樣的最大缺陷尺寸分別為(wei) 41、49、36、35、58µm。對於(yu) 圖6(b)所示的水平試樣，雖然所有掃描試樣均存在大於(yu) 40µm的缺陷，但QuesTek Al和AlF357的缺陷較大。AlSi10Mg、Scal malloy、QuesTek Al、AD1和AlF357水平掃描試樣的最大缺陷尺寸分別為(wei) 46、51、47、47、49µm。

3.3.循環變形和疲勞行為(wei)

圖7顯示了從(cong) LB-PBF鋁合金的單軸完全反向應變控製疲勞試驗中獲得的穩定應力-應變遲滯回線。在0.002下進行的試驗的遲滯回線毫米/毫米和0.003垂直和水平構建方向分別顯示了mm/mm應變振幅。對於(yu) 0.002下的疲勞試驗mm/mm應變幅度（見圖7（a）），除AlSi10Mg外，所有LB-PBF鋁合金在垂直和水平構建方向上均表現出彈性行為(wei) 。

圖7 在(a) 0.002 mm/mm應變幅值和(b) 0.003 mm/mm應變幅值下，完全反向應變控製的LB-PBF Al試樣恒幅疲勞試驗的穩定滯回線。

這是因為(wei) 0.002處的應力響應mm/mm應變振幅遠低於(yu) 表4中列出Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357的屈服強度。然而，AlSi10Mg在該應變振幅水平下的應力響應（即0.002mm/mm）接近其屈服強度（見表4），導致輕微塑性變形。

對於(yu) 0.003下的疲勞試驗mm/mm應變幅度（見圖7（b））、LB-PBF Scalmalloy、QuesTek Al和AD1表現出彈性行為(wei) ，而AlSi10Mg和AlF357合金表現出塑性變形。可以看出，AlSi10Mg的塑性變形量高於(yu) AlF357。此外，與(yu) 垂直試樣相比，水平試樣中AlSi10Mg和AlF357的塑性變形略高。這可歸因於(yu) 垂直和水平試樣中晶粒相對於(yu) 加載方向的結晶取向。

表5列出了不同構建方向的LB-PBF鋁合金的疲勞結果，圖8繪製了每個(ge) 合金在垂直和水平構建方向的應變-壽命疲勞數據。可以看出，LB-PBF AlSi10Mg（圖8（a））和AlF357（圖8（e））的垂直和水平試樣之間的疲勞性能變化不大。對於(yu) 高強度合金（見表4）；i、 例如，Scalmalloy、QuesTek Al和AD1，雖然在較高應變幅度下沒有太大變化，但在較低應變幅度0.002下，疲勞壽命存在一些分散性毫米/毫米（見圖8（b）-（d））。

表5 本研究獲得的LB-PBF Al合金單軸全反向應變控製疲勞數據，以及每個(ge) 試件的裂紋引發缺陷的信息(即尺寸、類型和位置)。

圖8垂直和水平LB-PBF Al試樣的應變壽命疲勞比較:(a) AlSi10Mg， (b) Scalmalloy， (c) QuesTek Al， (d) AD1， (e) AlF357。

可以看出，在0.002 mm/mm應變幅值下，AlSi10Mg(圖8(a))和AlF357(圖8(e))的垂直和水平試件均未出現107次反轉(在本研究中視為(wei) 跳變)。當應變幅值為(wei) 0.002mm/mm時，垂向試樣的疲勞壽命較短;3個(ge) 垂直試樣中有2個(ge) 未達到跳動，而3個(ge) 水平QuesTek Al試樣的逆轉次數均超過107次。

對於(yu) Scalmalloy(圖8(b))、一個(ge) 水平試樣和AD1(圖8(d))，一個(ge) 垂直試樣在107次反轉前失效，而其他所有垂直和水平試樣在0.002 mm/mm應變幅值時均達到跳動。LB-PBF Scalmalloy、quest stek Al和AD1合金疲勞壽命的分散可能是由於(yu) 其相對較高的強度使其在循環載荷下更容易受到缺陷的影響。

來源：microstructure, porosity, and fatigue behavior，Additive Manufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2021.102292

參考文獻：X. Zhang, E. Liang，metal additive manufacturing in aircraft: current application, opportunities and challenges，IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 493 (2019), Article 012032