南航顾冬冬顶刊丨航空航天承力铝合金构件材料-工艺-性能一体化激光增材制造研究

铝合金常被用于航空航天承力部件，其高温力学性能对于飞行器的飞行安全至关重要。基于粉末床的激光增材制造铝合金已经在该领域实现了很多重要应用，因此，亟须建立LPBF成形铝合金组织与高温力学性能之间的映射关系，进一步探索合金组织-高温性能一体化调控机理，对提升其在航空航天等领域的服役安全性和稳定性至关重要。

围绕如何提升激光增材制造AlSi10Mg成形件的室温/高温力学性能，南京航空航天大学顾冬冬教授团队与成都飞机工业（集团）有限责任公司，研究了成形方向对LPBF成形AlSi10Mg合金冶金缺陷、显微组织、室温/高温力学性能、疲劳性能的影响规律，揭示了LPBF成形AlSi10Mg合金疲劳裂纹的扩展机理，为提升LPBF成形AlSi10Mg的综合服役性能提供理论指导。相关研究在《中国激光》学术期刊刊登，并以封面文章发表。

封面解读

封面呈现了激光粉末床熔融一体化成形铝合金复杂构件及铝合金标准疲劳试样的过程。激光粉末床熔融技术为高性能复杂铝合金构件的短周期、净成形制造提供了新的技术途径。

激光增材制造铝合金构件室温及高温力学性能对于提升其在航空航天等领域的服役稳定性至关重要。本文研究了成形方式对激光粉末床熔融(LPBF) AlSi10Mg构件室温压缩性能、高温拉伸性能、高周疲劳性能和室温裂纹扩展速率等力学性能的影响规律。结果表明：水平方式成形试样(拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向)具有更优的压缩性能，表现出更优异的抗压强度及屈服强度(分别为201.0 MPa与251.3 MPa)；在高温拉伸试验中，不同成形方向试样的抗拉强度及屈服强度随着试验温度升高(从100 ℃升至175 ℃)均呈下降趋势，而延伸率均逐渐升高，且水平方式成形试样的拉伸性能均优于垂直方式成形试样(载荷垂直于试样铺粉方向)。垂直方式成形AlSi10Mg合金试样经历107循环周次的中值疲劳强度为151.25 MPa，疲劳寿命约为2.1×105周次，疲劳裂纹扩展门槛值为0.981 MPa·m1/2。

研究团队通过激光粉末床熔融技术制备AlSi10Mg构件，研究了基于成形方向调控的铝合金组织演变对室温/高温静力学性能影响，探究了激光增材制造AlSi10Mg构件的疲劳等动力学性能，实现了铝合金构件的材料—组织—性能一体化激光高性能制造。成形方向采用水平成形方式（拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向）和垂直成形方式（载荷垂直于试样铺粉方向）[图1(b)]。LPBF成形AlSi10Mg疲劳试样如图1(c) 、(d)所示。

图1（a）LPBF成形过程；（b）垂直、平行与铺粉方向的成形试样示意图；（c）LPBF成形AlSi10Mg柱状试样；（d）标准疲劳试样

图2 不同方向成形试样高温拉伸性能柱状图。（a）100 ℃；（b）125 ℃；（c）150 ℃；（d）175 ℃

3) LPBF垂直方式成形AlSi10Mg合金试样的疲劳强度为151.25MPa；经历107次循环后，合金的疲劳强度有较大损失，强度下降原因是疲劳性能对孔洞等缺陷比较敏感。LPBF成形AlSi10Mg合金的疲劳寿命为2.1×105周次，疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth为0.981MPa·m^1/2。

总结

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