Hongqian Chen、Peng Liu、Xuechong Ren（中国北京科技大学国家材料服役安全科学中心）与Alex A. Volinsky（美国南佛罗里达大学机械工程系）合作的研究论文《Fatigue and corrosion fatigue performance of selective laser melted AlSi10Mg and die cast A360 aluminum alloys》于2025年发表在《Corrosion Science》期刊（Volume 245, 112711）。该研究聚焦增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，通过对比选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）成型的AlSi10Mg合金与传统压铸A360铝合金在空气与腐蚀环境下的疲劳性能差异，揭示了微观结构缺陷与腐蚀协同作用对材料失效机制的影响。

学术背景

铝合金在航空与汽车工业中因高比强度备受青睐，而SLM技术能实现复杂几何结构的定制化制造。AlSi10Mg作为SLM常用材料，其快速凝固形成的细晶胞和Al-Si共晶网络赋予其优于传统铸造的力学性能，但成型过程中的未熔合缺陷（Lack of Fusion, LOF）显著降低疲劳寿命。此外，铝合金在含氯环境中易发生点蚀（Pitting），导致腐蚀疲劳（Corrosion Fatigue, CF）失效。尽管已有研究探讨SLM材料的疲劳行为，但其腐蚀疲劳性能与传统铸造合金的对比及失效机理尚不明确。本研究旨在填补这一空白，明确环境与缺陷对疲劳性能的交互作用。

研究流程

1. 材料制备与表征

   • SLM-AlSi10Mg：采用Xi’an Bright Laser Technologies的SLM设备（IPG 500 W激光器，光束直径80 μm）垂直打印棒状样品，参数为激光功率400 W、扫描速度1700 mm/s、层厚30 μm。打印后经280℃×2小时去应力退火（SR1状态）。
     
   • A360合金：从压铸立方体切取试样，经T6热处理（535℃×4小时固溶+水淬，175℃×4小时时效）。
     
   • 微观结构分析：通过光学显微镜观察Keller试剂蚀刻后的组织，发现SLM样品存在熔池边界粗大Si网络，而A360为均匀分布的5–20 μm Si颗粒。
     
   • 力学测试：拉伸试验（ASTM E8M-22标准）显示SLM-AlSi10Mg的强度（UTS 316 MPa）和延伸率（15%）均高于A360（UTS 255 MPa，延伸率8.5%），但维氏硬度相近（103 HV0.2）。

2. 电化学测试

   • 循环动电位极化（CPDP）：在0.6 M NaCl溶液中以0.1 mV/s扫描速率测试，使用三电极体系（饱和甘汞电极参比）。SLM-AlSi10Mg的腐蚀电位（Ecorr=-724 mV）比A360（Ecorr=-647 mV）更低，表明其点蚀敏感性更高，但均匀腐蚀速率更低，归因于其微观结构均匀性。
     
   • 腐蚀形貌：激光共聚焦显微镜显示SLM样品点蚀深度达4 μm，而A360因Si颗粒周围局部腐蚀形成密集浅坑。

3. 疲劳与腐蚀疲劳测试

   • 分组设计：分为空气疲劳（AF）、腐蚀疲劳（CF）和预腐蚀疲劳（PF）组，每组2–3个试样。CF测试在0.6 M NaCl溶液中进行，频率10 Hz（空气为20 Hz）。
     
   • S-N曲线：SLM-AlSi10Mg在空气中的条件疲劳极限（107周次）为154 MPa，A360为150 MPa；腐蚀环境中两者均无疲劳极限，且SLM数据离散性更大（Weibull形状参数1.7 vs. A360的5）。
     
   • 断口分析：SEM显示：
     
     • AF-SLM：裂纹均从LOF缺陷（等效直径30–180 μm）起始。
       
     • CF-SLM：高应力（Smax>120 MPa）下LOF主导失效；低应力（Smax<100 MPa）时点蚀（深度>100 μm）成为起源，且点蚀形态分三类（连续穿透型、局部半椭球型、相邻双坑型）。
       
     • A360：空气中为循环滑移引发的解理面，腐蚀环境中低应力下点蚀深度与寿命成反比。

主要结果

1. 性能对比：尽管SLM-AlSi10Mg力学性能更优，其疲劳性能与A360相当，归因于LOF缺陷的负面影响。
   
2. 环境效应：腐蚀使两合金的疲劳极限下降超50%，且SLM样品数据离散性显著（缺陷尺寸差异导致）。
   
3. 失效机制：
   
   • 高应力下，SLM材料受LOF缺陷控制，A360受滑移主导；
     
   • 低应力下，点蚀为共同失效起源，但SLM因电化学条件局部化更易形成深坑。
     
4. 预腐蚀影响：72小时预腐蚀对两合金疲劳性能影响可忽略，表明循环应力与腐蚀的协同效应（而非单独作用）是CF敏感性主因。

结论与价值

1. 科学价值：阐明了SLM-AlSi10Mg的腐蚀疲劳失效机理，证实微观结构均匀性虽降低均匀腐蚀速率，但高缺陷敏感性导致其CF性能与传统合金相当。
   
2. 应用价值：为增材制造铝合金的服役安全评估提供数据支撑，建议通过优化SLM工艺（如减少LOF缺陷）或表面处理提升耐CF性能。
   
3. 创新点：
   
   • 首次系统对比SLM与铸造铝合金在腐蚀环境中的疲劳行为；
     
   • 提出“点蚀与LOF缺陷竞争机制”，解释了应力水平对失效起源的调控作用；
     
   • 采用Frechet分布量化缺陷尺寸对S-N数据离散性的影响，为AM零件质量控制提供统计方法。

其他亮点

• 电化学机制：发现SLM样品氧化膜更致密，但熔池边界氧化物可能作为LOF缺陷阴极，加剧局部腐蚀。
  
• 数据可重复性：所有电化学测试重复3次，参数波动远小于组间差异，支撑结论可靠性。
  
• 工业参考：指出A360合金的浅蚀坑难以通过激光共聚焦检测，需开发更灵敏的缺陷表征技术。
  

该研究为增材制造铝合金在腐蚀环境中的工程应用提供了理论依据，并揭示了工艺优化方向，对航空航天与汽车轻量化设计具有重要指导意义。