通过激光粉末床熔化技术制备的AlMgScZr合金中残余应力及其各向异性的演变与协同缓解

《Journal of Alloys and Compounds》：Evolution and synergistic mitigation of residual stress and its anisotropy in AlMgScZr alloy fabricated by laser powder bed melting

针对激光粉末床熔融（LPBF）制备AlMgScZr合金过程中残余应力各向异性问题，本研究开发并验证了一个多尺度热力学耦合模型，结合动态相变控制与温度依赖的弹塑性本构关系，揭示了微观组织与残余应力各向异性的关联机制，并提出工艺优化策略（激光功率280-320 W，扫描速度1.0-1.2 m/s，层间距130-140 μm），有效降低残余应力并改善各向异性。

　　

传明毅|肖刚|杨琴文

湖南大学机械与车辆工程学院，长沙410082，中国

摘要

用于生产AlMgScZr合金的激光粉末床熔融（LPBF）工艺会产生残余应力和各向异性，这可能会影响航空航天部件的尺寸稳定性和疲劳可靠性。为了研究残余应力各向异性的演变，开发了一个考虑了动态相变控制、分层激活技术和温度依赖性弹塑性本构关系的多层多轨迹热机械耦合模型。研究了AlMgScZr合金独特微观结构对残余应力及其各向异性的影响，并提出了一种工艺优化策略。结果表明，该模型能够有效预测残余应力，平均误差为11.83%。该模型准确捕捉了由于原位重热引起的“形成-松弛-再形成”循环特征。由于原位预热和重热效应，顶层表现出较高的残余应力及其各向异性。LPBF形成的AlMgScZr合金的双模态晶粒结构通过协同调节弹性和塑性响应来减轻残余应力各向异性。基于原位预热和重热效应，提出了一种工艺优化策略，以获得最佳工艺参数（激光功率280 W-320 W，扫描速度1.0 m/s-1.2 m/s，孔间距130 μm-140 μm）。本研究为减轻LPBF形成的AlMgScZr合金中的残余应力及其各向异性提供了指导。

引言

激光粉末床熔融（LPBF）通过高能激光逐层熔化粉末来实现复杂部件的制造，这是增材制造（AM）中最具代表性的技术之一[1]，[2]。目前，主流的LPBF Al-Si合金具有良好的成形性，但其强度难以满足航空航天应用的高承载要求[3]，[4]。最新的高性能Sc、Zr改性的Al-Mg合金通过LPBF制备，因其轻质和高强度的优异性能而受到广泛关注[5]，[6]。尽管AlMgScZr合金具有出色的可打印性，但LPBF工艺本身具有明显的热梯度和快速冷却速度[7]，这可能导致有限的热收缩和局部应变积累，从而形成残余应力[8]，[9]。

根据温度梯度机制（TGM），陡峭的热梯度与机械约束共同限制了冷却过程中的均匀热收缩，导致局部塑性应变积累和残余应力的形成[10]，[11]。与钢或镍基合金相比，铝的固有吸收率较低，使得熔池对激光功率和扫描条件的变化更为敏感[12]，[13]。这种敏感性会放大局部温度梯度和凝固速率的变化。由于AlMgScZr合金的溶质分配效应，这些合金的凝固（糊状）区间相对较长[12]，[13]。宽凝固区进一步放大了由高温梯度引起的残余应力积累。因此，准确确定沉积样品中的温度梯度和时间依赖的热应力至关重要。此外，尽管LPBF AlMgScZr合金的整体拉伸各向异性通常有限，但由方向性热流引起的残余应力分布的方向性变化尚未得到系统研究。这种应力各向异性可能导致服务中的方向性疲劳响应和可靠性变化[9]，因此需要进一步研究其形成机制和潜在的缓解策略。

数值模拟是一种资源高效且时间节省的方法，可以有效分析LPBF过程中的残余应力演变。许多研究已经成功应用热机械耦合模型来研究Ti6Al4V[14]，[15]、AlSi10Mg[16]、Inconel 718[17]，[18]和316L[19]，[20]，[21]等材料，揭示了工艺参数对温度场演变和残余应力分布的调控机制，从而验证了这一框架的有效性。Wang等人[16]开发了一个有限元模型来研究LPBF过程中AlSi10Mg的残余应力分布。应力的产生和演变与金属粉末从液态到固态转变过程中的温度场密切相关。Singh等人[17]构建了一个考虑弹塑性特性的热机械有限元模型，以准确预测LPBF过程中的残余应力演变。如果简化关键物理机制（如材料状态的实时转变（粉末-液态-固态）、各向异性热导率和塑性硬化），将严重影响温度梯度和塑性应变的演变过程，从而无法准确捕捉残余应力各向异性的演变过程。此外，针对新兴的高强度AlMgScZr合金的LPBF加工的特殊热机械耦合模型的研究仍然相对较少。

热处理和机械后处理是目前控制激光AM中残余应力最常用的方法。然而，这些方法会降低成型部件的尺寸精度和表面质量，并增加成本。基板预热、外部场控制、原位热处理、工艺参数设计和成型结构设计是从源头上解决激光AM中应力集中和部件变形的重要方法。Xiao等人[22]通过数值分析了激光功率和扫描速度对应力剖面的影响。应力大小与相关参数之间的关系并不呈现单调趋势，这可能是由于应力与工艺参数之间的复杂相互作用。一些研究人员研究了工艺参数对LPBF形成的AlMgScZr合金残余应力的影响。Muhammad等人[23]发现超声辅助处理可以减少异质Al/Mg摩擦搅拌焊接中的残余拉应力和宏观变形。Zhang等人[24]研究了扫描策略对LPBF处理的AlMgScZr合金残余应力的影响。除了扫描策略的影响外，Huang等人[25]还研究了扫描速度增加时AlMgScZr合金的残余应力减小。Li等人[26]研究了孔间距对LPBF中AlMgScZr合金残余应力的影响。现有文献尚未充分探讨原位重热效应（由热循环引起）通过调节LPBF形成的AlMgScZr合金的工艺参数对残余应力各向异性的影响。

为了解决这一科学挑战，开发了一个多层多轨迹热机械耦合模型，以研究LPBF形成的AlMgScZr合金中残余应力的演变和各向异性特征。该模型整合了动态相变控制、分层激活技术和温度依赖性弹塑性本构关系（高温软化和应变硬化），准确捕捉了原位重热和原位预热对减轻残余应力及其各向异性的影响。然后，利用跨尺度实验表征技术研究了AlMgScZr合金独特微观结构对残余应力及其各向异性的影响，并提出了一种工艺优化策略，以获得缓解残余应力及其各向异性的工艺参数窗口。这项研究将为提高增材制造航空航天部件的性能提供科学基础。

部分摘录

热机械模型的构建

LPBF工艺涉及高度复杂的物理和热传递现象，如图1(a)所示。粉末床吸收能量并熔化，同时固化的材料热膨胀会产生压缩应力。激光移开后，随后的冷却收缩受到周围固化材料的限制，最终在冷却至室温时形成拉伸残余应力，如图1(b)所示。因此，建立了一个热机械模型

实验程序

Al-4.71Mg-0.86Sc-0.27Zr（重量百分比）粉末采用真空气体雾化法制备。粉末的化学成分如表2所示。本研究中使用的气溶胶化AlMgScZr粉末的粒径范围为15-53 μm，相应的特征粒径分别为D10=19.5 μm、D50=34.8 μm和D90=59.1 μm。D10、D50和D90的累积粒径分布分别占总粒子的10%、50%和90%。此外，粉末还表现出

结果与讨论

开发了一个用于LPBF形成AlMgScZr合金的多层多轨迹热机械模型，以准确捕捉原位热处理引起的残余应力各向异性和应力松弛的演变。随后，通过实验表征揭示了减轻残余应力各向异性的微观机制。在此基础上，我们提出了基于原位预热和重热效应的工艺优化策略，以获得最佳工艺参数

结论

在这项研究中，通过数值模拟和多尺度实验验证的协同方法，全面研究了激光粉末床熔融（LPBF）制备的AlMgScZr合金中残余应力及其各向异性的演变，并提出了一种工艺优化策略。

(1)

开发并经过实验验证了一个高保真的多层多轨迹热机械模型，该模型整合了动态相变控制、分层

未引用的参考文献

[39]; [40]; [41]

CRediT作者贡献声明

传明毅：撰写——原始草案，可视化，软件，方法论，研究，形式分析，概念化。肖刚：验证，监督，资源，项目管理，资金获取。杨琴文：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号52471055）、江西省自然科学基金（编号20224ACB218002）以及江西省高层次和高技能领军人才培训项目和流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金（GZKF-202422）的支持。