Bet365 - Online Sports Betting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

2024-11-08 14:41:31

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　　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。

　　（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。

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