华东理工李博课题组：激光粉床熔融增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金双峰结构演化模型及其低应力疲劳性能

增材制造性能高强铝合金在航空航天复杂结构成形领域具有重要应用前途。通过稀土元素Sc/Zr改性的Al-Mg基合金展示出了良好的适打印性以及强度-塑性协同能力，在L-PBF快速熔凝过程中极易产生粗晶区-细晶区呈空间有序排布的双峰结构。

日前，华东理工大学增材制造研究团队报道了一种结合激光粉床熔融（LPBF）增材制造熔池温度场数值计算边界条件的高保真元胞自动机（CA）算法，用于精确模拟Al-Mg-Sc-Zr铝合金在L-PBF过程中晶粒双峰结构的形成和演化，进而通过晶体塑性有限元（CPFEM）方法揭示了材料在拉伸变形过程中强度与塑性的协同效应；试验研究还表明，该双峰结构具有良好的抗疲劳性能，并分析了在低应力循环载荷下表现出的各向异性。

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”为题发表在《Virtual and Physical Prototyping》上（DOI：10.1080/17452759.2024.2346287）。论文第一作者为博士一年级研究生黄国庆，李博副教授为通讯作者，华东理工大学为唯一通讯单位。

针对L-PBF增材制造Al-Mg-Sc-Zr铝合金呈现独特的双峰结构特点，我们在充分考虑制造工艺要素、材料要素以及双峰结构的形成与演变机理等耦合条件下，致力于通过建模仿真，可视化揭示L-PBF过程和塑性变形过程中的双峰结构动态变化过程，可为科学阐明这类微观结构演变机理提供支撑。其中，激光熔池温度场的空间分布特征是双峰结构形成的主要驱动因素，熔池边界快速过冷和大量Al3(Sc/Zr)颗粒的析出可为晶粒提供充足的形核质点，在熔池温度梯度和冷却速度的诱导下，晶粒按最优取向生长，而熔池固/液界面位置的晶粒则注意通过外延生长模式在温度梯度的方向上优先呈现柱状晶形态。我们通过结合温度场驱动力的高保真元胞自动机（CA）算法精确的再现了这一结构演变过程。针对双峰结构在整体材料塑性变形演变开展的数值计算，帮助我们进一步探索了双峰结构在拉伸准静态加载和疲劳循环载荷作用下的整体力学性能及微观组织演变特征。

通过对比铸造、打印态和打印后时效态样品的准静态拉伸测试，认为时效态优异的强度优势归因于快速凝固过程中Al-Mg-Sc-Zr铝合金的晶粒细化效应，以及时效过程中大量Al3(Sc/Zr)二次相颗粒的析出强化作用；运用晶体塑性有限元（CPFEM）算法仿真和计算了这种双峰异质结构的局部应变非均匀性及整体结构在力学性能上体现的各向异性，揭示了细晶区FG和粗晶区CG的空间有序分布对于整体强度-塑性协同效应具有显著的影响；进一步地，通过循环载荷试验展示了其在低应力疲劳载荷下的整体性能，而在低应力作用下的疲劳寿命展现出的各向异性却与准静态拉伸行为截然相反；此外，该工作也关注并实验验证了L-PBF激光扫描策略所导致的细晶区、粗晶区空间分布差异性，这种双峰结构的分布策略可通过工艺手段实现人工调控，细晶区、粗晶区在空间分布上的交错性和排布形式对材料整体的阻裂能力和疲劳寿命具有显著影响。

图1 元胞自动机模型示意图

图2 单激光熔池晶粒生长的数值模拟结果。（a）晶粒生长过程的三维显示；Z-Y平面（b）、X-Z平面（c）和Y-X平面（d）的截面图。

图3 激光熔池凝固过程数值模拟过程中微观结构演变过程的显示图：（a）激光熔池Y-Z截面的微观结构演变图，分为六张图，展示了从晶粒形核到完全凝固的过程；（b）激光熔池X-Z截面的微观结构演变图，也分为六张图，显示了从晶粒形核到完全凝固的过程。

图4 （a）通过扫描策略1制备的LPBF样品，平行于BD方向的横截面在腐蚀后呈现规则的鱼鳞形貌；（b）EBSD-IPF地图的鱼鳞区域，反映了颗粒形态；（c）基于扫描间距和粉末层厚度的实验参数，对多道次和多层熔池凝固后的微观结构形貌图进行了数值计算。

图5 EBSD揭示了老化样品的微观结构：（a）反极图（IPF_X）的伪三维视图；（b）三维视图中每个表面的粒度分布图；垂直于SD（c）、BD（d）和TD（e）方向的平面上的EBSD结果（IPF_X和PF图）；（f）图（e）中方框区域的放大图。

图6 竣工和老化样品的TEM分析：（a）FG区微观结构的TEM概览图像；（b）（a）中黄色区域的进一步放大图像，反映FG区域中晶粒的形态和尺寸，箭头突出显示GB；（c）（b）中蓝色区域的元素组成的能谱；（d）反映了FG区中Al3（Sc/Zr）沉淀物的分布；（e）（d）中黄色区域的放大图，显示沉淀物的形状和尺寸；（f）Al3（Sc/Zr）颗粒通过快速傅立叶变换（FFT）和（e）的逆傅立叶变换显示出相干性。时效样品中Al3（Sc/Zr）沉淀的分布图（h和j）和放大图（i和k）。

图7 （a）不同工艺和施工方向的样品拉伸性能的工程应力-应变曲线；（b）不同工艺和施工方向样品拉伸性能的真实应力-应变曲线。

图8 使用CPFEM对双峰结构RVE模型进行拉伸实验的数值计算结果：（a）RVE模型沿X或Y方向单轴拉伸的工程应力-应变曲线的数值计算成果；（b）当沿着X方向拉伸到（a）中的标签位置时，对应模型的Mises应力分布云图；（c）当沿着Y方向拉伸到（a）中的标签位置时，对应模型的Mises应力分布云图。

图9 Al-Mg-Sc-Zr合金拉伸前微观结构的EBSD表征结果（IPF_X、PF和KAM图）：As aged-V（a，d）；As aged-H（b，e）；As cast（c，f）。以及Al-Mg-Sc-Zr合金拉伸后微观结构的EBSD表征结果（IPF_X、PF和KAM图）：As aged-V（g，j）；As aged-H（H，k）；As cast（i，l）。

图10 基于图8b中拉伸模型沿X方向的应变数据，根据2%至10%的整体应变变化绘制了沿X方向上的平均应变分布。

图11 （a）在R=0.1时，具有不同L-PBF构建方向的样品的疲劳试验的S-N数据；（b）在R=0.1和120MPa应力振幅下，采用不同扫描策略对As时效-V样品进行疲劳试验的S-N数据。

在本研究中，我们采用LPBF技术和随后的HT工艺制备了具有由Al基体的FG区和CG区组成的双峰非均匀结构的高强度Al-Mg-Sc-Zr合金。我们使用实验和数值模拟方法研究了制备工艺对Al-Mg-Sc-Zr合金微观组织演变和性能的影响。可以得出以下结论：

（1）LPBF Al-Mg-Sc-Zr合金中双峰非均匀结构的形成归因于其连续的工艺特征。我们的温度场耦合CA模型有效地模拟了熔化和凝固过程中的异质结构晶粒生长过程，从而深入了解了FG和CG区的异质结构演化机制。具有主导取向的CG区晶粒在熔池中沿温度梯度方向生长。通过与EBSD颗粒IPF图的比较，证实了我们的CA模型的有效性。

（2）拉伸试验证实，与铸态样品相比，经LPBF工艺和时效处理的时效样品的强度和塑性有很大提高。我们使用CPFEM方法来计算和分析双峰异质结构的非均匀微观结构与宏观性能之间的关系。研究揭示了L-PBF过程形成的双峰结构的固有联系中的各向异性。时效样品的双峰结构在循环载荷作用下具有优异的抗疲劳性能。

（3）我们发现，具有较低伸长率的V方向样品的抗疲劳性甚至更好。这与双峰结构的各向异性密切相关。此外，不同扫描策略带来的不同分布模式的双峰结构的抗疲劳性能也有很大差异，值得进一步深入研究。