《Materials Characterization》：Microstructure and micromechanical properties of microcellular AlSi10Mg produced via LPBF
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S. Leonardi|F. Brisset|P. Peyre|A-L. Helbert|M.G. Tarantino巴黎萨克雷大学，法国国家科学研究中心（CNRS），ICMMO分子化学与材料研究所，91405，奥赛，法国摘要激光粉末床熔炼（LPBF）是一种先进的增材制造（AM）
S. Leonardi|F. Brisset|P. Peyre|A-L. Helbert|M.G. Tarantino
巴黎萨克雷大学，法国国家科学研究中心（CNRS），ICMMO分子化学与材料研究所，91405，奥赛，法国
摘要
激光粉末床熔炼（LPBF）是一种先进的增材制造（AM）工艺，能够制造出形状复杂的金属材料——这些材料通常被称为“结构化”材料。尽管该工艺具有很高的设计灵活性，但LPBF制造的结构化材料往往含有多种缺陷（如几何缺陷或内部孔隙），并且具有复杂的微观结构。本研究针对一类结构化材料，探讨了其微观结构和力学特性的起源。通过扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）以及纳米压痕测试，研究了使用“轮廓剖切”策略通过LPBF制备的AlSi10Mg合金的微观结构和力学性能。该合金的蜂窝结构在制备前通过算法生成，由随机分布的圆柱形孔隙组成。本文详细分析了LPBF扫描策略的影响，重点关注轮廓扫描对该类AlSi10Mg微观结构形成的影响。研究结果表明，不同的扫描顺序（即轮廓和剖切方式）会导致晶粒形态、晶粒纹理以及次生相形态的变化，从而产生高度异质的力学性能（如纳米硬度）。此外，还研究了类似T6的热处理效果，并将其与未经处理的AlSi10Mg蜂窝合金的微观结构进行了比较。比较结果表明，热处理策略可以有效缓解由“轮廓剖切”扫描引起的微观结构和力学性能的异质性。
引言
轻质金属材料在交通运输、能源和热管理等多个工业领域中的应用日益重要[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。由于其蜂窝结构以及金属基体的优良特性（如强度、延展性、导热性等），这些材料在低密度下表现出传统块体材料所无法实现的性能（例如高刚度重量比和高能量吸收率）。
近年来，随着先进制造技术的发展，轻质金属材料领域取得了显著进展。这些技术包括熔模铸造[7]、液态金属渗透[8]、[9]以及增材制造（AM）[10]、[11]。特别是增材制造技术使得制造出具有复杂内部几何形状的金属蜂窝结构成为可能。金属“晶格”是一个典型的例子[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，它们通常由周期性排列的细长杆状结构组成，以实现特定功能[11]。
在金属增材制造中，激光粉末床熔炼（LPBF）技术尤为突出。如今，这项技术已在工业界得到广泛应用，可以利用高功率激光逐层 selec tively 熔化金属粉末来制造出净成形金属部件。LPBF技术适用于多种金属合金[16]、[17]、[18]，也适用于制造复杂的蜂窝结构，如金属晶格[19]、[20]、[21]、[22]。然而，尽管设计灵活，LPBF制造的蜂窝部件常常存在诸多制造缺陷。最常见的缺陷包括基体孔隙、表面粗糙度和微观结构异质性，以及与设计几何形状的偏差[23]、[24]、[25]。这些缺陷会负面影响结构化金属的力学性能，其实际性能往往与理论预测不符[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。例如，几何缺陷（即实际制造出的几何形状与设计几何形状之间的偏差）会促进失效模式的转变[28]，并降低宏观屈服强度和断裂强度[26]、[28]。
近年来，人们投入了大量努力，试图将工艺引起的缺陷（如尺寸精度、表面粗糙度、微观孔隙率）与制造参数（如能量密度和扫描策略）联系起来。目前已有大量研究聚焦于蜂窝结构[24]、[25]、[32]、[33]、[34]、[35]和块体结构[37]、[38]。尽管主要是针对块体结构，但也研究了LPBF工艺参数对合金微观结构的影响。例如，已经证明熔池形状直接影响最终的晶粒纹理。熔池形态会随着工艺条件的变化而变化，包括能量密度、扫描轨迹和连续激光矢量之间的几何偏移[20]、[39]、[40]、[41]。特别是扫描策略对最终合金微观结构有显著影响，还会影响熔池相对于建构方向的晶体取向[42]、[43]、[44]、[45]。例如，Zhou等人[45]研究了剖切角度旋转对LPBF制备的AlSi10Mg样品的晶粒纹理的影响，发现0°（剖切）角度旋转促进了纤维纹理的形成，并导致熔池的重复堆叠；而增加剖切角度旋转则会形成更为均匀的纹理。
在LPBF制造的蜂窝和薄壁结构中，由于复杂的扫描轨迹，扫描策略对微观结构和晶粒纹理的影响更加明显。与采用填充（即“in-fill”）策略制造的块体材料不同，这些结构通常使用两种主要扫描策略进行制造：“剖切”和“轮廓”[25]、[46]。“轮廓”策略主要用于绘制外部轮廓，已知会影响最终零件的几何形状[25]和微观结构[47]。Rodrigues Da Silva等人[17]研究了不同制造策略对垂直Inconel 625薄壁支柱微观结构的影响，发现剖切区域的晶粒尺寸小于轮廓区域。同样，Sos等人[47]发现，在LPBF制备AlSi10Mg支柱的过程中改变轮廓参数可以形成具有不同晶粒纹理和凝固结构的复杂芯壳微观结构。微观结构的变化又会影响合金基体的力学性能[47]、[48]、[49]、[50]、[51]，通常通过热处理来消除这些异质性[18]、[52]、[53]。因此，目前大多数关于LPBF制备的金属蜂窝材料的研究都忽略了微观结构异质性对微观和宏观力学性能的影响[54]、[55]。填补这一知识空白是本研究的主要目标。
在本研究中，我们探讨了“轮廓剖切”策略对LPBF制备的AlSi10Mg蜂窝材料微观结构和力学性能的影响。该材料的内部多孔结构在制备前通过算法生成，由随机分布的贯穿厚度的圆柱形孔隙组成（第2.1节）。由于激光扫描路径的复杂性，LPBF制得的微观结构具有独特性，本研究通过扫描电子显微镜（SEM）进行了详细分析。具体而言，结合了电子背散射衍射（EBSD）和背散射电子（BSE）分析来研究扫描策略引起的局部晶粒纹理和凝固结构（第3.1.2节晶粒形态、尺寸和纹理，第3.1.3节富硅共晶胞结构）。然后，将这些微观结构观察结果与局部纳米硬度测量结果进行关联（第3.1.4节），以量化微观结构对局部力学性能的影响，并与块体合金材料进行了比较（第4.1节）。最后，还研究了类似T6的热处理作为均质化策略的有效性（第3.2节）。
部分内容
设计几何结构
本研究考察了一种微孔结构的AlSi10Mg合金。其蜂窝结构由随机分布的贯穿厚度的圆柱形孔隙组成，这些孔隙在制备前通过算法生成，使用了先前研究中开发的随机顺序吸收（RSA）算法[56]、[57]。RSA算法可以生成二维[58]、[59]、[60]、[61]和三维[56]、[57]的多孔结构。
熔池介观结构
图3展示了“轮廓剖切”策略对AlSi10Mg蜂窝样品熔池介观结构的影响。为此，图3（a、b）展示了所研究样品区域的光学显微照片。图中可以清晰区分熔池边界，这些边界对应于化学蚀刻后暴露出的富硅白色区域。为了便于比较不同扫描策略形成的熔池介观结构，文中提供了一份示意图
与参照块体样品的比较
为了明确扫描策略对微孔结构AlSi10Mg微观结构和力学性能的影响，使用与LPBF制备多孔样品相同的剖切参数和扫描策略制备了两个立方体均匀块体样品（第2.2节）。随后，使用第2.4.2节描述的方法对这些样品在制备态和类似T6的热处理态下进行了微观结构和力学性能的表征
结论
本研究探讨了LPBF制备的微孔结构AlSi10Mg的工艺、微观结构和力学性能之间的关系。合金的内部结构由随机分布的圆柱形孔隙组成，这些孔隙在制备前通过算法生成。“轮廓剖切”策略的采用导致了微观结构的异质性和局部力学性能的差异
作者贡献声明
S. Leonardi：撰写——初稿撰写，研究工作，数据分析。F. Brisset：资源提供，研究协助。P. Peyre：撰写——审稿与编辑。A-L. Helbert：撰写——审稿与编辑，验证，监督。M.G. Tarantino：撰写——审稿与编辑，验证，监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究部分得到了法国2030计划“ANR-11-IDEX-0003”（通过巴黎萨克雷大学综合材料研究所-2IM@UPSaclay）的支持。此外，还得到了CNRS Cellule Energie（通过PEPS Energie 2021计划）的部分资助。M.G. Tarantino还得到了CNRS Cellule Energie和巴黎萨克雷大学化学研究生院的资金支持。S.L和M.G.T.还感谢S. Konate女士和N. Roubier先生的帮助
