激光粉末床熔融制备的Al6061合金的力学性能：热处理和应变率的影响

研究PBF-LB加工Al6061合金在不同热处理（直接时效、退火、T6、HIP）和应变率下的微结构演变与力学性能，发现传统热处理无法消除孔隙（残留3.5%-5%），反而降低强度，其中HIP和T6处理强度最低。动态压缩下材料应变率敏感性增强，但各处理间差异不显著，且动态加载时泊松比降低。研究表明传统热处理对改善PBF-LB Al6061性能有限。

　　
本文研究了选择性激光熔化（PBF-LB）加工的Al6061合金在热处理及不同应变率下的微观结构演变与力学性能变化。研究采用多种表征手段，包括X射线显微CT（XRM）、电子背散射衍射（EBSD）、显微硬度测试及动态压缩试验，系统分析了直接时效（DA）、退火、T6处理和等温热等静压（HIP）等后处理工艺对材料性能的影响，并揭示了动态加载下应变率敏感性规律。

### 一、研究背景与意义
铝合金因其优异的综合性能，在航空航天、汽车轻量化等领域具有重要应用价值。Al6061作为工程中常用的铝合金，其PBF-LB加工存在两大技术瓶颈：一是高孔隙率（3.5%-5%）导致力学性能下降，二是热处理过程中组织演变与性能优化间的矛盾。传统热处理如T6处理在铸造合金中能有效提升强度，但加工路径（激光熔融）和微观结构（高孔隙率）导致其效果受限。本研究首次系统对比了五种后处理工艺对PBF-LB Al6061的孔隙率与力学性能的协同影响，填补了动态加载条件下孔隙率与热处理交互作用的研究空白。

### 二、实验设计与方法
#### 1. 材料制备
采用气相沉积粉末（粒径16-60μm）通过EOS M290设备进行PBF-LB加工，关键参数包括激光功率150W、扫描速度600mm/s、层厚40μm。粉末化学成分符合ASTM标准，经SEM观察显示近球形颗粒（图5a）。

#### 2. 后处理工艺
- **直接时效（DA）**：180℃固溶处理6小时，消除残余应力同时保留高密度位错（ρ=5.32×1013 m?2）
- **退火处理**：300℃保温2小时，促进孔隙闭合但导致晶粒粗化
- **T6处理**：530℃固溶+水淬后170℃人工时效6小时，形成亚稳态组织
- **HIP处理**：515℃/103MPa等温压制3小时，优化孔隙分布

#### 3. 测试方法
- **微观结构分析**：XRM检测孔隙率（误差±0.5%），EBSD分析晶粒取向（平均晶粒尺寸26.25μm）
- **力学性能测试**：
- **准静态压缩**：MTS系统加载（0.0001-0.001s?1），结合DIC全场应变测量（图3c）
- **动态压缩**：SHPB系统实现5×102-1.8×103s?1应变率加载，通过高速相机（0.5M fps）捕捉变形过程

### 三、关键研究发现
#### 1. 孔隙率与组织演变
- **孔隙特征**：所有处理态孔隙率均＞3.5%，其中HIP态达5.16%，主要存在两类缺陷：
- lack-of-fusion孔隙（体积占比＞60%）
- 熔池边界（MPB）缺陷（面积占比＞30%）
- **组织稳定性**：XRD分析显示α-Al相稳定存在（图7），未检测到Mg?Si等次生相。EBSD证实热处理未改变晶粒取向分布，但HIP处理使部分晶粒发生回复（ρ降至2.09×1013 m?2）

#### 2. 力学性能对比
| 处理态 | 准静态屈服强度(MPa) | 动态屈服强度(MPa) | 显微硬度(HV) |
|----------|---------------------|-------------------|--------------|
| As-built | 292±4 | 333±6 | 81.5±5.7 |
| DA | 301±3 | 348±17 | 82.6±4.8 |
| 退火 | 198±12 | 246±6 | 60.9±4.2 |
| T6 | 201±5 | 238±9 | 53.7±3.4 |
| HIP | 192±10 | 231±5 | 49.4±2.8 |

**动态强化效应**：所有处理态在动态压缩下强度提升10%-15%，其中DA态动态强度达348MPa，较准静态强度提升16.2%。应变率敏感性β值范围0.12-0.27（公式7），退火态β值最高（0.27±0.02）。

#### 3. 动态响应特征
- **泊松比变化**：动态加载下泊松比降低42%-65%（0.10-0.13 vs 0.18-0.21），反映孔隙闭合导致的横向收缩抑制
- **工作硬化行为**：ε=0.05时，DA态动态硬化率达1000MPa，是准静态的1.6倍（图15）
- **应变场演化**：动态加载下变形呈现"中心-边缘"梯度特征（图21），最大轴向应变达0.28（准静态0.18），但未出现裂纹扩展

### 四、机制分析
#### 1. 热处理对孔隙的调控
- **退火处理**（300℃/2h）：孔隙率降低0.8%但强度下降19%，因晶界迁移促进小孔闭合（<20μm孔隙减少32%）
- **HIP处理**（515℃/103MPa）：孔隙率升高1.5%，但平均孔径从25μm增至38μm，形成连续气孔通道（XRM 3D重建显示孔隙连通率＞60%）

#### 2. 动态强化机制
- **孔隙闭合效应**：动态压缩下，应变率＞500s?1时，轴向应变达0.15时孔隙体积减少15%-20%
- **位错运动协调**：高应变率下，位错滑移与晶界迁移形成协同强化（β=0.18 vs 0.12准静态）
- **残余应力释放**：退火态残余应力降低37%，但导致位错密度下降（ρ=3.08×1013 m?2），降低强度

#### 3. 热处理工艺选择
- **DA工艺优势**：保留原始高密度位错（ρ=5.32×1013 m?2），在动态加载下通过位错增殖实现应变硬化
- **T6处理局限性**：固溶处理导致时效强化不足（Si颗粒粗化至5-8μm），同时水淬产生微观裂纹（SEM观测到3μm级裂纹）
- **HIP处理矛盾**：等温压制虽改善孔隙分布均匀性（σ?/σ?=1.2→1.8），但晶界重排导致强度下降23%

### 五、工程应用启示
1. **工艺优化**：建议采用"预成型+梯度退火"策略，在层间设置退火区（＞300℃）补偿激光加工导致的残余应力
2. **性能调控**：动态压缩强度提升可达40%以上，适用于冲击载荷环境（如防弹装甲）
3. **缺陷控制**：需开发表面处理技术（如激光熔覆涂层）降低孔隙率至2.5%以下，结合热等静压（≥600MPa）实现致密化

### 六、研究展望
未来研究应重点关注：
- 多尺度孔隙闭合动力学（纳米级孔隙在10?s?1下的响应）
- 动态加载下晶界滑移与位错运动的耦合机制
- 3D打印定向性能的调控（如通过熔池形态优化实现各向同性强化）

该研究为增材制造铝合金的服役性能优化提供了重要理论依据，特别是动态载荷条件下材料失效模式的揭示，对航空发动机叶片等高速冲击部件的设计具有重要参考价值。