k1体育·(中国)官方网站上海大学《JMST》：磁场下激光增材制造高性能Al-12Si合金！为代表的增材制造技术具有加工精度高、生产周期短和凝固组织细化等特点，可以实现复杂结构金属构件的一体化直接成形，在航天航空、能源、医疗等领域获得了广泛应用。其中，近共晶成分的

　　近日，上海大学任忠鸣、王江教授团队提出了磁场下调控LPBF激光增材制造Al-12Si合金显微组织新方法，突破了熔池微观组织不均匀的局限，实现了增材制造Al-12Si合金强塑性综合性能的大幅度提升。结果表明，静磁场实现了α-Al晶胞亚结构（Cellular structure）和网状共晶Si组织的细化，大幅度提升了晶胞结构的均匀性k1体育·(中国)官方网站，同时提高了等轴晶占比和细化晶粒尺寸。最终，获得了优异的强塑性力学性能，其极限抗拉强度和断后延伸率分别高达451.4±0.5 MPa和10.4%±0.8%k1体育·(中国)官方网站，显著优于现有LPBF成形Al-12Si及AlSi10Mg等合金，并可以与纳米颗粒增强AlSi10Mg合金相媲美。

　　依据α-Al晶胞和Si的形貌与尺寸，LPBF制备的Al-12Si合金显微组织主要分为三个区域：1.熔池内由较细α-Al晶胞和纤维网状共晶Si构成的细晶区 (Fine Melt Pool, FMP)；2.熔池边界由较粗α-Al晶胞和网状共晶Si结构的粗晶区 (Coarse Melt Pool, CMP)；3. 熔池边界由球形Si和α-Al基体构成的热影响区 (Heat Affected Zone, HAZ)。结合SEM和TEM的微区观察，证明磁场的施加促使FMP和CMP区域的α-Al晶胞细化，并采用基于机器学习的图像识别方法进一步量化和验证，结果表明：施加磁场后，FMP和CMP区域中α-Al晶胞的宽度均显微降低了27.1%和39.1%，且磁场的施加提升了FMP和CMP两个区域间的组织均匀性。

　　未施加磁场时，熔池中心主要由平行于打印方向生长的柱状晶构成，等轴晶主要出现在熔池边界的重熔区域，施加磁场之后，这一特征消失，晶粒发生CET转变，柱状晶体的比例从31.1%下降到26.6%，等轴晶的占比有所提高k1体育·(中国)官方网站，同时晶粒也发生了明显地细化，30-50 μm的大尺寸晶粒从13.04%降低到了4.77%，且001织构有所减弱。

　　图3无磁场或有磁场时L-PBF制备的Al-12Si合金的EBSD分析: (a, b) NMF; (c, d) SMF; (e) 和 (f) 分别对应于无磁场或有磁场时等轴晶体和柱状晶体的比例以及晶粒尺寸的统计比较图

　　LPBF制备Al-12Si合金的单个晶粒均是由多个α-Al晶胞和网状共晶Si所构成，且在α-Al晶胞和共晶Si的交界处，Si相对排列无序，且随着离界面距离的增加，其无序程度逐渐减弱，施加磁场之后，α-Al晶胞和共晶Si的交界处的共晶Si会排列得更加无序。未施加磁场时，α-Al晶胞和共晶Si具有明显的外延关系，然而在施加磁场之后，这一外延关系被打断。同时有无磁场下共晶Si均具有纳米晶体性质。

　　施加磁场之后，LPBF制备Al-12Si合金的屈服强度并没有明显的改善或降低作用，极限抗拉强度和延伸率均有所增加，分别从442.2±3.4 MPa和5.8%±0.7%提升至451.4±0.5 MPa和10.4%±0.8%，相比于目前通过加入纳米颗粒以及提高LPBF制备Al-Si合金力学性能的手段，其没有改变材料的原始成分且没有明显的牺牲强度和塑性，并且改善效果更优。

　　图5无磁场或有磁场LPBF制备的Al-12Si的力学性能统计: (a)典型的工程应力-应变曲线, (b)本次实验结果与L-PBF和传统制造工艺制备的现有典型Al-Si合金的力学性能比较图

　　磁场的施加在晶粒尖端形成高达105N/m3的热电磁力，该力足以扭断粗大的柱状晶粒，使其发生CET转变，从而导致晶粒细化以及等轴晶占比提高，同时使001织构减弱。采用相场模拟的方法对α-Al晶胞的细化进行验证，模拟结果表明：施加磁场之后，在液/固界面生长前沿会产生热电磁流动，同时该流动的存在会产生一种搅拌效应，使液/固界面前沿分配系数降低，促进液相中排出更多的Si原子，并在该流动的作用下带离液/固界面，从而导致过冷度和凝固速率增加，促使α-Al晶胞和网状共晶Si结构细化。

　　图6 (a)塞贝克效应产生的热电磁力示意图; (b)磁场作用下液/固界面前部的热电磁对流及其对硅溶质分布的影响示意图; 无磁场或有磁场时L-PBF制备的Al-12Si合金的α-Al晶胞生长的相场模拟图: (c) NMF, (d) SMF; (e) 是 (c, d) 中所示的液/固界面前沿的Si溶质浓度分布对比图; (f) 是 (d) 中红色方框中标记的局部放大图

　　依据之前有无磁场下力学性能的结果，对其进行不同应变下的水平面显微组织观察，可将LPBF制备Al-12Si合金变形机理归纳为：在拉伸应力作用下，成形件内部的孔隙和未融合等缺陷会优先成为应力集中点并转化为裂纹，同时α-Al晶胞和网状共晶Si在应力的作用下会发生脱粘形成孔隙，孔隙在应力的作用下形成裂纹并导致断裂，并且断裂会优先发生在由较粗α-Al晶胞和网状共晶Si构成的CMP区域并进行扩展。塑性明显提升原因为：1.组织均匀性的提高减少了断裂优先发生在CMP和HAZ区域的可能性；2. α-Al晶胞和网状共晶Si结构的细化增加了裂纹扩展的阻碍；3.晶粒的细化和等轴晶占比的提高。

　　综上所述，本文研究了磁场对L-PBF制备的Al-12Si合金的微观结构和力学性能的影响，得出了以下结论：

　　（1）磁场的施加有利于细化α-Al晶胞和网状共晶硅的结构，促进共晶硅沉淀。此外，FMP和CMP区α-Al晶胞的长度和宽度差异减小，从而明显改善了微观结构的均匀性。

　　（2）磁场引起的热电磁力也有利于促进CET转变，减少001织构。此外，它对晶粒也有细化作用。

　　（3）磁场的应用有助于显著提高零件的延展性，高达10.4%±0.79%，这明显优于现有关于L-PBF制备的Al-12Si和AlSi10Mg的研究报告。