轧制温度对选区激光熔化（SLM）AlSi10Mg合金显微组织与力学性能的影响

《Materials Today Communications》：Effect of Rolling Temperature on the Microstructure and Mechanical Properties of Selective Laser Melting AlSi10Mg Alloy

　　

为了系统阐明热轧温度对选区激光熔化（selective laser melting, SLM）AlSi10Mg合金显微组织演变和力学响应的影响，研究人员将沉积态试样分别在200°C、250°C、300°C和450°C下进行40%厚度减薄量的热轧。研究人员联合采用光学显微镜（optical microscopy, OM）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）、电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）以及结合原位数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术的拉伸测试，表征了热轧试样的显微组织特征和变形行为。结果表明，热轧温度显著影响合金的显微组织和力学性能。随着轧制温度升高，共晶Si网络的连续性降低，并在450°C轧制后完全消失。其形貌由连续网络演变为破碎链状，随后变为颗粒状，并在高温下最终粗化。EBSD分析显示，热轧后晶粒尺寸由9.8 μm细化至1.6 μm，同时大角度晶界比例增加。回复和再结晶的程度随温度升高而愈发显著。在200°C轧制后，屈服强度由231.4 MPa提高至357.1 MPa（提高了54.3%），而延伸率仅为2.7%。在250°C轧制进一步使屈服强度提高了50.6%，且延伸率变化可忽略不计。DIC分析表明，低温轧制促进了早期应变局部化，而中高温轧制则导致更均匀的应变分布并延长了均匀变形阶段。综上所述，调控热轧温度能够优化共晶Si网络形貌和再结晶行为，从而实现强度和塑性的良好匹配。

论文解读：轧制温度对选区激光熔化AlSi10Mg合金显微组织与力学性能的影响

研究背景与意义

选区激光熔化（SLM）作为金属增材制造（AM）的核心技术，因其在轻量化和复杂构件快速制造方面的优势，在航空航天及汽车工业中展现出巨大潜力。AlSi10Mg合金因其良好的加工性、高比强度及优异的抗热裂性，成为该领域最具代表性的铝合金体系之一。尽管已有大量研究聚焦于工艺参数优化和微观结构特征，但沉积态构件常面临孔隙、微观组织不均匀和各向异性等挑战。传统热处理虽能改善性能，但对塑性变形的调控有限。热机械后处理（如热锻和热轧）通过引入温度和塑性变形的耦合作用，有望促进孔隙闭合、微观结构重构、回复/再结晶以及第二相形态调控，从而全面提升综合力学性能。然而，目前关于热轧温度如何具体调控SLM AlSi10Mg中共晶Si网络、回复/再结晶行为以及拉伸变形异质性的演化规律尚不清晰。因此，重庆理工大学的研究人员在《Materials Today Communications》发表了本研究，旨在揭示热轧温度在变形强化向热辅助软化转变过程中的控制机制，为SLM AlSi10Mg合金的温度控制热机械后处理策略提供理论依据。

关键技术方法

为实现上述目标，研究人员制备了初始孔隙率极低（约0.004%）的SLM AlSi10Mg试样。研究人员采用实验室轧机在200°C、250°C、300°C和450°C四个温度下进行了固定40%工程减薄量的热轧，轧制方向平行于沉积方向。为区分单纯热暴露与轧制变形的贡献，研究人员还设置了相同温度下的无轧制热处理对照组。在微观表征方面，研究人员利用OM和SEM观察熔池轮廓及共晶Si网络演变，采用EBSD分析晶粒尺寸、晶界特征及回复/再结晶状态（基于取向 spread (GOS) 分类）。在力学性能评估方面，研究人员沿轧制方向（RD）加工微型狗骨试样进行准静态拉伸测试，并结合原位DIC技术监测表面应变场演化，通过断口SEM观察揭示断裂机制。

研究结果

3.1 显微组织观察

OM和SEM观察显示，沉积态试样具有典型的熔池特征。随着热轧温度升高，熔池轮廓逐渐变平、拉长并最终消失。在200°C轧制后，熔池边界仍清晰可见；250°C时边界开始模糊；300°C时仅存局部痕迹；450°C时熔池特征几乎完全消失，组织趋于均匀化。共晶Si网络经历了显著的退化过程：从沉积态的连续网络，到200°C时的扁平拉长，250°C时的加厚与断裂，300°C时的不连续链状，最终在450°C时转变为粗大、球化的离散颗粒。统计数据显示，Si网络宽度随温度升高而增加，证实了高温下的粗化现象。

3.2 EBSD表征

EBSD分析揭示了晶粒细化和晶界演变的规律。沉积态平均晶粒尺寸约为9.8 μm。热轧后晶粒显著细化，其中250°C轧制后的晶粒尺寸最小，达到1.6 μm。这归因于低温下变形诱导的晶粒/亚结构细分与有限的热激活粗化之间的平衡。随着温度升高，回复和再结晶程度增强。200°C时变形晶粒占比高达92.7%；250°C时仍为变形主导（81.8%）；300°C时回复晶粒显著增加至47.0%；450°C时再结晶晶粒比例上升至9.9%，同时低角度晶界减少，大角度晶界增加，表明应力松弛和组织均匀化程度提高。

3.3 力学性能

拉伸测试结果表明，热轧温度决定了强度与塑性的权衡。沉积态的屈服强度（YS）为231.4 MPa，延伸率（EL）为4.5%。200°C轧制后，YS大幅提升至357.1 MPa（增幅54.3%），但EL骤降至2.7%。250°C轧制后，YS维持在348.3 MPa的高位，EL恢复至4.5%，实现了最佳的强塑性匹配。300°C轧制后，强度略有下降（YS 249.4 MPa），但EL激增至11.2%。450°C轧制后，强度进一步降低（YS 179.5 MPa），EL保持在11.9%。

讨论与结论总结

4.1 热轧温度驱动的显微组织演变

讨论部分指出，低温轧制（200-250°C）主要以变形强化为主，保留了较多的熔池痕迹和连续Si网络，导致高位错密度和严重变形组织。中高温轧制（300-450°C）则促进了热辅助软化，表现为Si网络破碎球化、回复和再结晶加剧。通过热处理对照实验证实，单纯的热暴露不足以解释强度的提升，轧制变形诱导的细化和强化是低温高强度的主因，而高温下的性能变化则是热暴露与塑性变形耦合的结果。

4.2 DIC应变场演化和断裂机制分析

DIC分析揭示了变形行为的差异。沉积态和200°C轧制试样表现出明显的早期应变局部化，导致脆性断裂（解理台阶和撕裂棱）。250°C轧制试样应变分布较为均匀，断裂模式转变为韧性断裂（微孔聚集型韧窝），兼顾了高强度和高塑性。300°C和450°C轧制试样由于回复和再结晶消除了晶格畸变，应变分布更加连续，均匀变形阶段延长，呈现出典型的韧性断裂特征（深大韧窝）。此外，高温下溶质重新分布和Mg₂Si析出也参与了组织性能的演变。

结论

研究人员得出以下结论：

(1) 随着热轧温度从200°C升高到450°C，共晶Si网络逐渐退化，由互联形态演变为不连续链状结构，最终变为球化/粗化颗粒。

(2) 热轧促进了晶粒细化并改变了再结晶程度。平均晶粒尺寸从沉积态的9.8 μm分别减小到200°C、250°C、300°C和450°C轧制后的3.4 μm、1.6 μm、2.1 μm和1.8 μm。随着轧制温度升高，回复/再结晶变得更加显著，导致局部晶格畸变减少，组织均匀性增强。

(3) 在沿轧制方向测试的条件下，力学响应表现出明显的强度与塑性权衡。200°C和250°C的低温轧制提高了屈服强度，而300°C和450°C的轧制降低了强度但显著增加了延伸率。这种转变源于较低温度下晶粒/亚结构细化和变形诱导强化，与较高温度下回复/再结晶、Si网络改性和热辅助软化之间的竞争。

(4) 在所测试的工艺条件中，250°C-40%试样在沿轧制方向测试的条件下表现出最优异的强度-塑性平衡，与沉积态试样相比，屈服强度提高了50.6%，同时保持了相似的延伸率。需要注意的是，本结论仅限于40%的固定轧制减薄量和沿轧制方向的拉伸测试。