微多孔PBF-LB工艺制备AlSi10Mg的超高速冲击响应及微观组织演化

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Hypervelocity impact response and microstructure evolution of microporous PBF-LB AlSi10Mg

　　

**摘要** 为阐明含微孔隙增材制造铝合金在超高速撞击下的动态响应，本研究整合了超高速撞击回收实验、多尺度微观组织表征和非平衡分子动力学（NEMD）模拟，系统研究了激光粉末床熔融（PBF-LB）AlSi10Mg合金的孔隙塌缩行为与微观组织演化。实验结果表明，在较低撞击速度条件下，大多数孔隙几乎完全闭合；而在较高撞击速度条件下，卸载过程中冲击波反射与叠加等多机制耦合效应导致撞击后微孔隙数量增加，并伴随孔隙附近明显的局部熔化。微观组织表征进一步表明，主导变形响应从较低速度下的位错增殖和晶粒细化转变为较高速度下的动态回复、热软化以及局部熔化-再凝固。基于表征结果，构建了含孔隙的Al-Si分层原子模型以表征材料的局部微观组织特征。模拟揭示出孔隙塌缩机制存在显著的速率依赖性转变：在较低撞击速度下以剪切应力驱动的塑性塌缩为主，而在较高速度下则以法向应力驱动的熔体微射流为主导。为定量表征孔隙几何形状的主导作用，引入了位置、尺寸和形状因子，并通过归一化响应函数将其与热力学响应关联起来。这些发现建立了一个定量的、基于机制的框架，用于理解增材制造铝合金中缺陷控制的超高速撞击响应。

**引言** 随着人类太空活动的快速扩展，地球轨道上的空间碎片数量持续增长[1,2]。微流星体与轨道碎片（MMOD）的超高速撞击已成为航天器运行安全的持续威胁[[3], [4], [5], [6]]。目前，传统的MMOD防护系统仍以惠佩尔防护罩及其衍生构型为主。这些轻质铝合金防护概念主要通过前壁破碎和足够的前置距离上碎片云的分散来耗散碎片的动能[[7], [8], [9]]。尽管该设计思路在MMOD防护方面仍然有效，但现代航天器正日益向轻量化、集成化和多功能化架构发展，这使得传统多层防护系统在结构集成、几何适应性和性能可调性方面的局限性日益凸显[10,11]。

增材制造（AM）为制造复杂轻质结构提供了前所未有的几何自由度，从而拓展了新一代MMOD防护系统的设计空间[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。近期研究已证明了AM驱动的晶格防护概念的可行性，凸显了AM在防护系统快速迭代和集成制造方面的潜力[[19], [20], [21]]。然而，现有研究主要集中在AM金属结构在结构层面的宏观抗撞击性能上，而AM金属本身在超高速撞击下的动态响应仍缺乏充分理解。

在AM金属中，AlSi10Mg因其低密度和优异的打印性能已成为航天应用中最具代表性的合金之一[[22], [23], [24], [25], [26], [27]]。然而，与传统加工铝合金不同，AM AlSi10Mg在制造过程中经历快速熔化和凝固，这既赋予了其独特的微观组织特征，也不可避免地引入了工艺诱导缺陷，最常见的是孔隙和微裂纹[[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37]]。先前的研究表明，孔隙周围的应变集中可促进提前屈服和裂纹萌生，导致增材制造AlSi10Mg强度和塑性的各向异性退化[[38], [39], [40], [41], [42], [43], [44]]。进一步的缺陷表征和统计分析表明，仅使用孔隙率来评估材料性能是不够的；缺陷尺寸、缺陷形貌和空间分布等参数往往更具物理意义，在主导力学性能方面起着更为关键的作用[[45], [46], [47], [48], [49], [50]]。

Araújo等人[25]定性地展示了AM金属的微观组织各向异性会放大制造缺陷的不利影响，但其分析缺乏定量表征。更重要的是，该研究主要总结了宏观性能差异，未提供缺陷几何形状与微观组织各向异性如何耦合以主导失效的详细机制解释。Kan等人[31]指出增材制造铝合金的性能受孔隙率和微观组织的共同控制，但未提出可直接用于评估动态响应的描述符。Motaman等人[51]进一步表明，AM诱导缺陷的尺寸效应和异质性可显著影响宏观力学响应。尽管上述研究强调了AM金属中微观组织和缺陷的重要性，但它们大多停留在宏观性能差异的定性解释层面。尚未建立理解超高速撞击下孔隙塌缩机制的统一机制框架，AM孔隙特征与超高速撞击响应之间的定量且可机制解释的关联仍然缺乏[[52], [53], [54], [55], [56]]。

在此背景下，分子动力学（MD）模拟为揭示原子尺度的孔隙塌缩动力学提供了关键手段[[57], [58], [59], [60], [61], [62], [63]]。Lu等人[64]通过MD模拟表明，撞击下的孔隙塌缩与位错介导的塑性密切相关。Lovinger等人[65]进一步指出，孔隙塌缩引起的剪切局部化可能是撞击压缩下损伤和失效的重要来源。同时，Galitskiy等人[66]揭示，金属微孔塌缩过程中的力学响应受粘塑性和流体动力学耦合作用的支配。这些研究从不同视角阐明了孔隙塌缩的物理机制，包括位错发射、剪切局部化和流体动力学。然而，现有研究主要聚焦于不同材料体系和有限的撞击速度范围。因此，统一的机制理解仍然缺乏，在单一材料体系中跨越连续撞击速度范围，这些机制间的耦合关系以及孔隙塌缩模式的演化尚未得到系统阐明。

关于孔隙特征的影响，现有MD结果表明，撞击载荷下的孔隙塌缩力学过程对载荷强度和孔隙几何特征高度敏感[63,67]。例如，Xiang[58]和Li[68]分别使用非平衡分子动力学（NEMD）定量揭示了孔隙尺寸在多孔铝和多孔镁超高速撞击响应中的作用。然而，现有研究通常局限于理想球形孔隙。孔隙尺寸、形貌和空间位置的影响仍缺乏充分探索，铝合金特征微观组织对其超高速撞击响应的影响也尚未得到系统研究[[69], [70], [71], [72], [73], [74]]。因此，需要进行更系统的研究，以建立对超高速撞击下铝合金中孔隙塌缩机制的全面理解，阐明孔隙尺寸、形貌和空间位置的影响，并将孔隙相关描述符与材料的力学和热力学响应关联起来[[75], [76], [77]]。

更重要的是，大多数相关MD研究仍缺乏与超高速撞击实验和撞击后微观组织表征的耦合分析与验证，这限制了我们对极端载荷下多孔金属响应的机制理解[[78], [79], [80]]。在实验方面，B. Revil等人[81]结合平板撞击实验和数值模拟研究了0.3–0.75 km/s撞击压缩下多孔增材制造金属的绝热剪切断裂，但所涉及的压应力状态与航天防护相关的千米每秒级超高速撞击存在显著差异。S. Ricci等人[82]研究了增材制造方向对PBF-LB AlSi10Mg低速撞击损伤特性的影响，但此类研究仍不足以揭示极端载荷下的材料响应。Kazemi-Kamyab等人[83]测量了不同孔隙率铝试样在数百米每秒量级撞击速度下的应力传递和孔隙压力演化。

上述实验研究表明，AM孔隙缺陷可改变金属的撞击行为。然而，现有实验中的撞击速度通常局限于数百米每秒量级，远低于典型空间碎片超高速撞击速度（>3 km/s）[12,[84], [85], [86], [87]]。在代表性超高速撞击条件下对多孔铝合金的实验研究仍几乎空白[[88], [89], [90], [91]]。这在很大程度上制约了对增材制造铝合金在极端撞击下动态响应机制的深入理解，也阻碍了其在航天防护系统中的进一步应用与发展[[92], [93], [94]]。在此背景下，迫切需要建立一套实验-模拟一体化框架，用于研究含孔隙缺陷铝合金的超高速撞击响应，以阐明孔隙塌缩、损伤演化和微观组织响应。

为弥补上述空白，本工作结合超高速撞击实验、微观组织表征和MD模拟，研究了含孔隙PBF-LB AlSi10Mg在超高速撞击条件下的动态响应。采用多尺度表征方法阐明了撞击前后孔隙形貌和微观组织的演化。同时，通过MD模拟原位观察超高速载荷下多孔铝合金中的孔隙塌缩过程，揭示孔隙塌缩的微观机制及其对热力学特性的影响。本研究旨在推进对AM铝合金在超高速撞击下微观组织演化和失效机制的理解，从而为下一代航天防护材料和结构的开发提供科学依据。

本文其余部分组织如下：第2节描述超高速撞击实验、微观组织表征方法和MD模型的构建。第3节展示撞击后的孔隙形貌和表面演化。第4节讨论EBSD、XRD、TEM和EDS揭示的相和微观组织演化。在这些实验观察的指导下，第5节利用MD模拟分析理想化纳米孔隙的塌缩机制和相对热力学敏感性。第6节总结主要发现及其应用局限。

**章节摘要**

**实验与模拟方法**

本节描述本研究采用的研究方法和工作流程，为后续PBF-LB AlSi10Mg在超高速撞击下孔隙塌缩行为、损伤形貌和微观组织演化的机制分析奠定基础，并确保可重复性。

具体而言，使用两级轻气炮进行了超高速撞击回收实验，实现一维平面冲击加载和试样回收的方法是……

**孔隙塌缩与表面形貌演化**

本节展示PBF-LB AlSi10Mg的超高速撞击回收实验，重点关注撞击后孔隙塌缩和表面形貌演化的实验表征与机制解释。使用光学显微镜和SEM比较不同撞击速度下的形貌特征，特别关注较低速度下的孔隙压实与闭合，以及较高速度下的撞击后微孔隙和局部熔化现象。

**超高速撞击**

**相和微观组织演化**

除了孔隙特征外，微观组织特征在控制PBF-LB金属超高速撞击响应方面也起关键作用。本节聚焦于孔隙效应以外的超高速撞击下相和微观组织演化。首先，利用EBSD比较不同撞击速度下的晶粒形貌、取向变化和本地应变分布，并基于极图和XRD进一步讨论织构演化。随后，通过TEM观察……

**孔隙塌缩机制与热力学特性分析**

在第4节中TEM观察到的富硅区域和Al-Si界面特征的指导下，构建了Al-Si分层原子模型，以研究受实际工艺缺陷形貌启发的理想化纳米孔隙的塌缩机制和热力学响应演化。该模型被视为代表[001]取向晶粒内的一个局部区域。特别关注了特征形状、空间位置和……的相对影响。

**结论**

本研究聚焦于PBF-LB AlSi10Mg，系统研究了超高速撞击下工艺诱导孔隙的演化及其相关的微观损伤机制。主要结论总结如下。

两种撞击条件下的孔隙塌缩形貌和材料损伤状态存在显著差异。在2.8 km/s的较低撞击速度下，预先存在的内部孔隙大部分闭合，导致材料状态更加致密。在较高撞击……

**CRediT作者贡献声明**

郑必霖：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，项目管理，方法学，调查研究，资金获取，正式分析，数据整理，概念化设计。胡健年：写作—原稿撰写，方法学，调查研究，资金获取，正式分析，数据整理。康晓：资源，项目管理，方法学，调查研究，资金获取。张晓宇：监督，软件，资源，项目管理，方法学。

李源：郑碧霖 | 胡建年 | 康晓 | 张晓雨 | 李源 | 徐梦川 | 李颖
北京理工大学先进结构技术研究所，中国 北京 100081