西工大林鑫教授顶刊丨静磁场对激光增材制造AlSi10Mg合金组织和力学性能的影响机制
西北工业大学林鑫教授团队使用波长为960nm的红外激光对AlSi10Mg合金进行LDED过程中，采用不同强度的磁场来定制加工样品的宏观形态、微观结构和机械性能。结果表明，在静磁场的作用下，熔融的单轨变窄变高，相应的润湿角变大，改变了逐层沉积的稳定性和质量。该研究为在LDED过程中使用磁场改善AlSi10Mg合金的微观结构和力学性能的潜力提供了新的见解。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.12.237
图1. 静磁场辅助LDED工艺。（a） 实验装置；（b1）-（b2）磁场强度分布的数值模拟结果；（c） 校准磁场强度的策略；（d） AlSi10Mg合金粉末形态。
AlSi10Mg粉末粒度分布分别为D10=67.78μm、D50=102.4μm和D90=148.5μm，并使用尺寸为100×100×35 mm3的铸造AlSi10MHz基材作为基材。
表1. 粉末和基材的化学成分。
Sample | Al | Si | Mg | Fe | Mn | Zn |
Powder | Bal. | 10.06 | 0.31 | 0.082 | <0.01 | <0.01 |
Substrate | Bal. | 10.00 | 0.26 | 0.62 | 0.32 | 0.30 |
图2. 磁场辅助LDED示意图。
表2. LDED的加工参数。
Parameters | Laser power (W) | Scanning speed (mm/s) | Overlapping ratio (%) | Layer increment (mm) | Powder feeding (g/min) | Laser diameter (mm) |
Value | 1800 | 10 | 50 | 0.15–0.4 | 5 | 2 |
图3. 通过LDED方法额外制造样品（X表示扫描方向，Y表示横向，Z表示构建方向）。
图4. 不同磁场强度下沉积的单轨形态。（a） 0T；（b） 0.1T；（c） 0.15T；以及（d）0.2T。（H、D和W分别表示熔池的高度、深度和宽度）。（e） 熔池中马兰戈尼对流和洛伦兹力的示意图。
图5. 不同磁场强度下沉积的单轨形状参数。（a） 熔池的宽度、（b）深度、（c）高度和（d）润湿角。
表3. 在没有磁场和0.2T磁场的情况下测量的熔池尺寸。
Empty Cell | Melt pool Width mm | Melt pool depth mm | Melt pool height mm | Wetting angle ° |
0T | 1.887 ± 0.015 | 0.337 ± 0.02 | 0.15 ± 0.007 | 12.2 ± 1.21 |
0.2T | 1.618 ± 0.02 | 0.156 ± 0.011 | 0.337 ± 0.02 | 33.3 ± 1.725 |
当静磁场加载时，与熔体流动轨迹相反的洛伦兹力将作用在熔池中，然后抑制向外的马兰戈尼流，这减少了熔体的向外扩散，从而导致更窄、更高的熔体轨迹。同时，受抑制的马兰戈尼流减少了从熔池顶部到底部的热对流，从而导致熔深减小。
熔道的形貌变化将对逐层沉积过程产生重要影响。例如，当磁场从0增加到0.2 T时，熔融宽度从1.88减小到1.61 mm，熔融高度从0.15增加到0.34 mm。因此，应通过较小的重叠比和较大的层增量来调整加工参数，以确保逐层沉积的成功。此外，熔池的形状变化也会影响LDED工艺的粉末利用效率和激光焦点，此处不再进一步讨论。
在单壁样品的LDED过程中，一个普遍的问题是形成“倒锥形”形状，即样品横截面的宽度沿着建筑方向逐渐增加，这对沉积是不利的。图6显示了用不同磁场强度制备的单壁样品的轮廓。在没有磁场的情况下，样品的横截面呈现出典型的“倒锥形”形状。然后，随着施加磁场的增加，倾斜角度变大。换句话说，侧面轮廓的垂直度得到了增强。如上所述，这是因为磁场的洛伦兹力抑制了熔池的向外马兰戈尼流动，从而减少了逐层沉积过程中熔体的扩散，导致“倒锥形”形状的趋势减弱。这种抑制有效地减少了“倒锥”现象的发生，提高了沉积层的均匀性和形状控制。总之，在LDED工艺中应用外部磁场在形状控制、沉积质量和工艺稳定性方面显示出巨大的潜力。
图6. 不同磁场强度下单壁样品的形态。（a） 0T；（b） 0.1T；（c） 0.15T；以及（d）0.2T。
气孔是金属增材制造中最常见的缺陷之一，对机械性能有害。Du等人发现，在激光粉末床熔化（LPBF）中施加0.12 T的垂直静态MF可以减少沉积部分中的孔隙数量。据信，磁场抑制了熔池中不稳定的马兰戈尼流，因此涡流中的气泡可以从熔池中逃逸。当磁场强度从0增加到0.2 T时，样品的相对密度从97.61%±0.11%增加到97.82%±0.06%。样品的相对密度在误差范围内没有显著变化（图6、图7）。与激光粉末床熔融条件下容易产生大量微孔的具有深小孔的激烈熔池不同，LDED的熔池非常平缓，通常在没有深小孔的情况下移动，因此没有激光粉末床熔化条件下那么多微孔。因此，如图7所示，LDED的孔隙和样品密度的熔融缺陷对磁场不敏感。
图7. 不同磁场强度下制备的AlSi10Mg的相对密度。（a） 0T；（b） 0.1T；（c） 0.15T；以及（d）0.2T。
为了研究磁场对AlSi10Mg样品晶体结构的影响，在样品的中间区域进行了EBSD表征，结果如图8所示。正如预期的那样，在没有磁场的情况下制备的样品表现出典型的各向异性微观结构，沿构建方向具有长柱状晶体。晶粒主要沿<001>晶体向建筑方向生长。当施加静磁场时，可以看出柱状晶粒在一定程度上被破坏和细化。当磁场强度增加到0.2T时，甚至会产生细化的等轴晶粒。当磁场强度从0增加到0.2T时，晶粒的织构强度从22.2显著降低到3.71。磁场的施加大大削弱了晶粒的织构密度。
图8. 不同磁场强度下制备的AlSi10Mg合金微观结构的形貌。（a） 0T；（b） 0.1T；（c） 0.15T；和（d）0.2T。
图9a显示了样品的粒度分布。当磁场强度从0T变为0.2T时，平均晶粒尺寸从58.1μm减小到44.1μm。晶粒细化程度达到24.1%。这表明磁场的应用可以有效地细化晶粒结构。
图9. 不同磁场强度下制备的AlSi10Mg晶粒尺寸的EBSD结果。（a） 粒度分布；（b） 伸长率系数随（b1）0T、（b2）0.1T、（b3）0.15T、（b4）0.2T的变化趋势；（c） 等轴晶粒比例和平均晶粒尺寸的变化。
通过定义伸长率因子（E）来研究磁场对晶粒形态的影响。当E≤0.33（最短尺寸/最长尺寸≤1:3）时，晶粒形态为柱状晶粒，当E>0.33。图9b显示了拉伸因子在样品中间区域的变化。图9c显示了平均晶粒尺寸和伸长率的变化。当磁场强度从0T增加到0.2T时，等轴晶粒的百分比从51%增加到66%。这表明施加磁场可以有效地降低柱状晶粒的比例和平均晶粒尺寸。
图10显示了所制备样品的一次枝晶臂间距（PDAS）分布。通过连接三个相邻的枝晶中心形成三角形，每个三角形的边长的平均值可以计算为一次枝晶臂间距λ。在实际的统计过程中进行了多次测量，其中图中的黄色三角形是由随机选择的枝晶中心形成的。随着磁场强度从0T增加到0.2T，可以借助光学显微镜测量一次枝晶臂间距，从26.5μm减小到20.12μm。可以看出，在没有磁场的情况下，铝合金枝晶臂发育良好。然后，随着磁场强度的增加，一次枝晶臂间距减小，枝晶臂数量大幅减少。
图10. 用磁场强度制备的AlSi10Mg样品横截面中一次枝晶臂间距的分布。（a1）0T，（a2）0.1T，（a3）0.15T，和（a4）0.2T；以及（b）初级枝晶臂间距的变化。
糊状区的流速和冷却速率都随着TEMC的影响而增加。然而，根据图10中枝晶臂间距的比较，冷却速率增加得更多。
在TEMC的作用下，熔池边界的温度梯度增加，这促进了冷却速率的增加，并导致枝晶臂间距的减小。磁场引起的热电磁效应显著增加了浆料区域的流速和温度梯度。TEMC加速了熔体流动，改变了铝合金的凝固过程，促进了枝晶臂数量和间距的减小。此外，TEMF的作用还导致了晶粒细化效应，进一步减小了枝晶间距和枝晶臂的数量。
因此，磁场通过热电磁效应影响LDED制备的AlSi10Mg合金的微观结构。一方面，作用于固相的TEMF足以通过断裂断裂部分来中断更快细长枝晶的生长，从而导致枝晶断裂和晶粒细化。同时，断裂的枝晶碎片提供了新的成核位点，促进了CET转变。
图11显示了不同磁场强度下制备的AlSi10Mg的应力-应变曲线。可以看出，随着磁场强度的增加，试样的伸长率显著增加，抗拉强度略有下降。图11显示了样品的断裂形态，其特征是脆性断裂。随着磁场强度的增加，裂缝孔隙的数量和尺寸显著减小。图12显示，裂缝中可以看到规则的崩解面。
图11. 不同磁场强度下制备的AlSi10Mg样品的应力-应变曲线。
图12. 不同磁场强度下AlSi10Mg样品的断裂形态。（a） 0T；（b） 0.1T；（c） 0.15T；以及（d）0.2T。（a1-d1）相应红色 区域的放大形态。
应力-应变曲线显示，随着磁场强度从0增加到0.2 T，样品的伸长率从3.5±0.2%增加到5.5±0.2%（表4）。当磁场强度从0T增加到0.2T时，样品的伸长率（ε）从3.5±0.2%增加到5.5±0.2%。样品的屈服强度和抗拉强度几乎保持不变。为了更好地解释伸长率增加的原因，本文根据金相组织的特点详细讨论了样品的变形和断裂机理。在静磁场的作用下，晶粒被细化。在相同的塑性变形条件下，晶粒细化导致单位体积晶粒数量的增加，从而使变形在更多晶粒之间更均匀地分布。此外，由于每个晶粒中积累的位错较少，导致开裂的应力集中的可能性也降低了。同时，晶界的增加增强了裂纹扩展的屏障效应，使材料在断裂前能够承受更大的变形，并表现出更高的延展性。磁场的作用还细化了α-Al枝晶和共晶硅网络结构，提高了结构的均匀性，增加了Al/Si界面的数量，这使得相同的应力可以分布到更多的界面，从而提高了材料的延展性。这种现象可归因于磁辅助激光定向能沉积过程中AlSi10Mg合金晶粒的细化、枝晶间距的减小、织构强度的降低和内部各向异性的降低，最终导致材料延展性的提高。正如Li等人所报道的那样，枝晶之间的距离越小，抗拉强度就越高。α-Al枝晶的初生枝晶臂间距随着磁场强度的增加而减小。它增强了试样的延展性，因为枝晶间距对力学性能的影响有时比晶粒尺寸更为显著。
表4. 测量的相对密度、平均晶粒尺寸、等轴晶粒百分比、一次枝晶臂间距以及无磁场和磁场强度为0.2T时的伸长率。
Empty Cell | Relative Density % | grain size, μm | equiaxed grains % | PDAS μm | Elongation % |
0T | 97.61 ± 0.11 | 58.1 | 51 | 26.5 | 3.5 ± 0.2 |
0.2T | 97.82 ± 0.06 | 44.1 | 66 | 20.12 | 5.5 ± 0.2 |
因此，施加磁场具有形成LDED AlSi10Mg的潜在优势。一方面，磁场改变了沉积层熔池的形态，从而提高了样品的沉积质量和工艺稳定性。另一方面，磁场促进晶粒细化，减小枝晶臂间距和枝晶臂数量，降低织构强度，促进柱状晶粒向等轴晶粒转变，提高样品的力学性能。
结论如下:
（1）随着磁场强度的增加，单轨的熔体宽度和熔体深度减小，而相应的熔体高度和润湿角增大。这意味着单轨变得更窄更高，这可以归因于磁阻尼效应削弱了马兰戈尼熔池的向外流动。在工业中，磁场的应用可以提高LDED过程中沉积过程的稳定性和质量，从而提高形成样品的精度和质量。
（2）施加磁场可以细化晶粒，减小枝晶间距，削弱织构强度，促进柱状向等轴转变。随着磁场强度的增加，晶粒尺寸、织构强度和初生枝晶臂间距显著减小。在0.2T的磁场强度下，施加到枝晶上的TEMF达到105 N/m3，其强度足以使枝晶碎裂并导致CET转变。
（3）在0.2T的磁场强度下，LDED处理的AlSi10Mg合金的伸长率提高了5.5±0.2%。伸长率的提高主要归因于晶粒的细化和一次枝晶臂间距的减小。这种技术可以扩展到其他金属材料的LDED。在工业中，磁场的应用可以细化晶粒，提高样品的力学性能，延长其使用寿命，降低维护成本。
来源：增材制造硕博联盟
