《Journal of Alloys and Compounds》：Research on the Defect Morphology and Tensile Properties of AlSi10Mg Alloy at Different Forming Thicknesses
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本研究分析选择性激光熔化（SLM）成型厚度对AlSi10Mg合金缺陷形态及力学性能的影响，通过X射线计算机断层扫描（X-CT）三维重建缺陷，发现厚度增加导致孔隙率、尺寸分布及空间聚类的变化，显著影响材料屈服强度、抗拉强度和延展性，为工艺优化和可靠性预测提供定量数据。
Kai Zhang|Jiazheng Yin|Kaixuan Li|Shuangli Wang|Chaofeng Zhang
江南大学机械工程学院先进食品制造设备与技术江苏省重点实验室。江苏省无锡市蠡湖路1800号，214100
摘要
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在高端设备制造行业中得到广泛应用，包括航空航天、汽车和生物医学工程领域，因为它能够在金属部件中创造出复杂的几何形状。由于工艺参数的复杂性，可能会产生随机孔隙，从而影响部件的机械性能。本研究考察了AlSi10Mg合金在不同成形厚度下的缺陷形态演变，并分析了其对材料内在拉伸性能的影响。通过X射线计算机断层扫描（X-CT）对3D打印样品进行了精确的缺陷重建，阐明了孔隙率、尺寸分布和空间聚类的演变规律随成形厚度变化的情况。在室温下通过单轴拉伸试验测量了屈服强度、拉伸强度和伸长率，从而全面分析了成形厚度与机械参数之间的关系。进一步明确了缺陷形状与应力集中之间的内在关系，并研究了其在选择性激光熔化制备的AlSi10Mg合金中的损伤演变过程中的影响。本研究为选择性激光熔化工艺参数的优化和AlSi10Mg部件服役可靠性的预测提供了定量数据，为轻量化高端设备的增材制造设计和质量控制提供了理论支持。
引言
AlSi10Mg合金属于Al-Si系列铸造铝合金，具有密度低、耐腐蚀性和优异的加工性能等优点。它已被广泛应用于航空航天、生物医学工程和汽车制造等关键领域[1]、[2]、[3]。然而，尽管使用铸造技术生产的AlSi10Mg合金应用广泛，但传统的铸造方法受到成本较高、生产周期较长以及加工精度受限的制约，无法满足复杂形状部件的制造需求。随着现代工业的发展，人们对AlSi10Mg合金部件的成分和性能提出了更高的要求。未来铝合金的发展将重点关注提高强度、提升尺寸精度以及实现接近净形的制造能力[4]、[5]、[6]。
选择性激光熔化（SLM）是铝合金增材制造中最常见的加工方法之一[7]、[8]。这种技术以其高精度和优异的表面质量而著称，被广泛用于复杂结构和非标准部件的功能级材料的制造[9]。在选择性激光熔化过程中，由于独特的制造特性，成形质量受到构建方向、层厚和工艺参数的显著影响[10]。Ahmad Baroutaji[11]研究了氧含量对AlSi10Mg铝合金及其三周期最小表面（TPMS）晶格结构在激光熔化过程中的机械行为的影响。研究结果表明，氧含量控制并非影响机械性能的关键因素，而TPMS晶格的性能和变形模式主要由结构设计决定。
熔池的凝固行为、热应力分布以及微观结构取向都受到构建方向的影响，这些因素是决定最终部件微观结构、表面形态和机械性能的关键[12]。Yan[13]研究了在不同构建方向下通过选择性激光熔化制备的AlSi10Mg合金的微观结构差异。结果表明，XY方向截面的熔池边界呈交织状，而YZ方向截面则呈现出类似鱼鳞的结构。García-Zapata[14]分析了三种不同构建方向下SLM制备的AlSi10Mg合金的拉伸强度和延展性，研究发现水平构建方向的样品表现出更高的拉伸强度和延展性。Xu[15]研究了四种不同构建角度下SLM制备的AlSi10Mg合金的疲劳和断裂特性，发现0°和15°方向的疲劳性能得到提升，同时断裂阈值应力和断裂韧性也有所增加。L. Esposito[16]研究了不同构建方向的SLM打印AlSi10Mg合金的疲劳强度，并提出了评估样品疲劳极限的模型公式。A. Tridello[17]发现，微观结构和尺寸缺陷显著影响了超高循环疲劳载荷下SLM成型AlSi10Mg合金的疲劳强度。
随着增材制造技术的发展，部件内部的缺陷在位置、大小和形态特征上表现出多样性，这些缺陷会引发独特的机械性能[18]、[19]。S. Romano[20]采用三种分析方法（X射线计算机断层扫描（X-ray CT）、金相分析和断裂分析）对SLM成型AlSi10Mg合金的质量进行了评估。Nie Wei[21]实验研究了多种缺陷类型对金属增材制造合金高温塑性的影响，发现圆形缺陷比不规则缺陷具有更高的塑性。Hirata[22]通过拉伸试验和疲劳实验研究了孔隙率对铝合金拉伸强度和疲劳性能的影响，结果表明低孔隙率的样品具有更高的拉伸强度，且孔隙率增加时这一性能显著下降。疲劳裂纹通常从样品内部的孔隙开始萌生，孔隙率的增加会导致疲劳裂纹萌生部位的增多。Lim[23]研究了金属增材制造合金的纤维特性和机械性能，发现增材制造过程中元素的充分扩散可以有效降低样品的孔隙率并提升其机械性能。
与传统试错实验方法相比，仿真研究作为一种可行的研究手段，具有时间高效和成本效益的优势，同时为工艺优化和性能预测提供了强大的理论工具。Xie[24]将X射线计算机断层扫描与仿真结合，研究了缺陷类型与机械参数之间的相关性。研究表明，由于未熔合缺陷的形态极其不规则，它们产生的应力集中程度更高。因此，在评估金属增材制造的疲劳性能时需要特别关注这些缺陷。Chen[25]通过缺陷分类和简化实现了三维缺陷重建，并提出应力集中因子是疲劳寿命预测的关键因素，同时建议使用支持向量回归（SVR）进行预测。
本文采用了一种结合实验和仿真的方法来研究不同成形厚度下的缺陷类型和机械性能，基于实际缺陷开发了有限元模型以系统分析缺陷形态和局部应力集中情况。
测试材料与设备
本研究使用电感耦合等离子体发射光谱仪分析了AlSi10Mg合金的化学成分，结果见表1。表中显示，本研究中使用的AlSi10Mg金属粉末中各元素的化学成分比例均衡，符合选择性激光熔化工艺的要求。
用于打印的AlSi10Mg粉末的微观结构
缺陷分布特征
图7展示了在不同成形厚度条件下AlSi10Mg样品中缺陷的三维重建结果，从左到右依次展示了正面视图、侧面视图和平面视图。可以看出，所有厚度下的拉伸样品内部都存在缺陷，且缺陷分布较为广泛，而非局限于特定区域。
显然，随着成形厚度的增加，缺陷的发生率也随之增加
结论
本研究重点关注1毫米至6毫米范围内不同成形厚度对AlSi10Mg合金缺陷形态和拉伸性能的影响。未来需要进一步研究以解决可能在其他尺度成形过程中出现的内部热应力积累、晶粒粗化以及动态交变疲劳性能等问题。本研究的主要结论如下：
(1)AlSi10Mg样品的比较研究
作者贡献声明
Shuangli Wang：验证、监督。Chaofeng Zhang：撰写——审稿与编辑、方法论。Jiazheng Yin：形式分析、数据管理。Kaixuan Li：方法论、实验研究。Kai Zhang：撰写——初稿、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（52475264，52475358）的支持。
