本研究由Sinuo Kong（上海工程技术大学材料工程学院）、Ying Zhang（上海工程技术大学材料工程学院）、Dafan Du（上海交通大学材料科学与工程学院）、Anping Dong（上海交通大学材料科学与工程学院）、Baode Sun（上海交通大学材料科学与工程学院）、Wangjun Peng（上海交通大学材料科学与工程学院）、Kai Zhao（上海航天设备制造总厂有限公司）、Qiuyang Lu（上海航天设备制造总厂有限公司）、Jikai Zhou（上海工程技术大学材料工程学院）和Hanjie Li（上海工程技术大学材料工程学院）合作完成，发表于《Materials Science & Engineering A》期刊2025年第925卷。
学术背景
该研究聚焦于激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）增材制造技术制备的薄壁AlSi10Mg合金的微观结构与力学性能演化规律。Al-Si-Mg合金因其轻量化、高比强度特性，广泛应用于航空航天复杂薄壁构件制造。然而，LPBF工艺中高冷却速率（达10⁶ K/s）和陡峭温度梯度（约10⁶ K/m）导致薄壁件易出现孔隙、枝晶粗化等缺陷，且壁厚变化会显著影响热积累行为，进而改变微观组织与性能。现有研究多集中于块体构件，薄壁件（尤其是壁厚≤2 mm）的工艺-组织-性能关联机制尚不明确。本研究旨在揭示壁厚对薄壁AlSi10Mg合金缺陷形成、枝晶生长及力学性能的影响规律，为优化薄壁构件LPBF工艺提供理论依据。
研究流程与方法
样品制备
- 材料与设备：采用气雾化AlSi10Mg粉末（成分见表1），粒径10–60 μm，使用Renishaw AM250打印机，激光功率400 W，扫描速度930 mm/s，层厚40 μm，采用67°层间旋转扫描策略。
- 样品设计：制备壁厚0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm的薄壁试样及1.2 mm块体对照样，构建方向（BD）与基板垂直，相邻样品呈45°排列（图1a）。
微观结构表征
- 孔隙分析：通过光学显微镜（OM）统计不同壁厚试样的孔隙率，结合SEM观察孔隙形貌（图3）。结果显示，0.5 mm试样孔隙率最高（2.9%），以匙孔型孔隙为主；2.0 mm试样孔隙率最低（0.42%），主要为球形气孔。
- 熔池与枝晶表征：SEM揭示熔池分为细熔池区（FMP）、粗熔池区（CMP）和热影响区（HAZ）。枝晶间距测量（图6）表明，壁厚增加导致枝晶粗化（0.5→1.0 mm时柱状晶间距最大增加500 nm），CMP区扩大。
- 织构分析：EBSD（电子背散射衍射）显示所有试样均以<001>织构为主，壁厚增加使<100>取向增强（图7）。XRD（X射线衍射）进一步证实（200）晶面衍射峰强度随壁厚增加而升高（图9）。
力学性能测试
- 拉伸实验：狗骨试样（图1c）在Zwick试验机以1 mm/min速率拉伸。结果显示，壁厚从0.5 mm增至2.0 mm时，屈服强度（155.85→198.92 MPa）、抗拉强度（287.45→397.91 MPa）和延伸率（3.93%→6.1%）均显著提升（图13）。
数值模拟
- 温度场模拟：通过ANSYS 2023R1建立瞬态热模型，采用“生死单元法”模拟多层粉末熔凝过程（图2）。结果表明，壁厚增加导致散热效率降低，熔池内部温度梯度减小，延长了冷却时间（图11），促进枝晶粗化和<100>织构发展（图12）。
主要结果与逻辑关联
- 孔隙演化机制：薄壁件（0.5 mm）因激光能量密度过高易形成匙孔孔隙，而厚壁件（≥1.0 mm）因热积累稳定熔池，减少大尺寸缺陷（图3f）。孔隙减少是力学性能提升的主因（图15）。
- 组织-性能关系：壁厚增加导致枝晶粗化和<001>织构增强（图7-8），虽通常不利于力学性能，但本研究中孔隙率降低的正面效应主导了性能提升（图13）。
- 热力学验证：模拟显示厚壁件温度梯度降低（图10-11），与实验观察到的枝晶粗化（图5-6）和织构演变（图7,9）形成闭环验证。
结论与价值
- 科学价值：首次系统阐明了LPBF薄壁AlSi10Mg合金中壁厚-热积累-组织-性能的定量关系，提出“孔隙缺陷主导薄壁件力学性能”的新观点，修正了传统“枝晶尺寸决定论”的局限性。
- 应用价值：为航空航天领域薄壁构件的壁厚设计与工艺优化提供直接指导，如建议关键承力部位壁厚≥1.0 mm以平衡缺陷控制与轻量化需求。
研究亮点
- 创新方法：结合EBSD原位取向分析与多尺度温度场模拟，揭示了薄壁件特有的<100>织构形成动力学机制。
- 重要发现：发现0.5 mm壁厚试样存在反常的枝晶粗化现象（图5a1-a2），归因于熔池重叠导致的半固态停留时间延长。
- 跨尺度关联：通过泰勒因子计算（图14）定量关联织构演变与力学性能各向异性，建立“工艺-组织-缺陷-性能”全链条模型。
其他价值
研究团队开发的“生死单元法”温度场模型（公式1-8）可推广至其他金属薄壁件LPBF工艺仿真，相关参数（如热导率kx, ky, kz的异质性设置）为同类研究提供参考。