西南交大等Acta Mater.: 3D打印铝合金损伤机制的原位同步辐射CT成像研究

本文介绍西南交通大学吴圣川教授团队等最近在Acta Materialia上发表的关于3D打印铝合金损伤断裂机理的研究论文。

通过原位同步辐射X射线断层扫描研究3D打印AlSi10Mg合金的关键损伤事件

【背景和问题】

增材制造（AM）金属因独特的熔池结构和内部缺陷（如未熔合、气孔等），在服役载荷下易发生性能分散，尤其是疲劳承载部件。尽管通过工艺优化可减少缺陷，但完全消除微观缺陷仍不可行。熔池边界（MPB）与缺陷的空间交互作用及其对损伤机制的影响尚不明确，制约了AM金属在关键领域的应用。

本文聚焦激光粉末床熔融（L-PBF）成型的AlSi10Mg合金，探究其在拉伸、低周疲劳（LCF）和高周疲劳（HCF）载荷下的损伤演化规律。

【主要方法】

原位同步辐射成像：利用上海同步辐射光源（SSRF）进行原位X射线断层扫描（CT）和衍射（SXRD），实时追踪拉伸、LCF和HCF载荷下的损伤萌生与扩展，空间分辨率达3.25μm。

多尺度表征：结合纳米压痕、EBSD、TEM分析熔池结构特征，并通过等离子聚焦离子束（PFIB）提取微柱进行纳米CT（分辨率100 nm），观测微孔洞形核。

物理机器学习模型：基于缺陷尺寸（√area）、形貌（球形度）、取向（α）和位置（fₘₐₓ*sinα/2h）四个三维几何参数，构建物理信息神经网络（PINN），预测疲劳寿命，并通过物理约束（如∂N_f/∂√area≤0）提升模型可靠性。

【结果和意义】

损伤机制转变：

HCF（低于屈服强度）：疲劳裂纹起源于表面或近表面缺陷，熔池边界对扩展路径影响微弱，寿命分散性大。

LCF/拉伸（高于屈服强度）：损伤累积始于熔池边界，微孔洞沿MPB形核，裂纹沿弱化MPB扩展，呈曲折路径。

机制过渡：当塑性区尺寸从HCF向LCF/拉伸增大时，短裂纹扩展从“缺陷主导”转变为“熔池结构敏感”。

微观机制：

LCF载荷下，硅相残余拉应力超800 MPa（铝相压应力平衡），导致位错在MPB处堆积，引发微孔洞。

HCF裂纹扩展初期为穿晶模式（I型），当塑性区尺寸超越晶粒尺度后转向沿MPB扩展（III区）。

预测模型：

PINN模型整合缺陷三维特征与物理约束，预测误差较传统ANN降低，大部分寿命预测值位于两倍误差带内，为AM部件无损寿命评估提供新范式。

本研究揭示了AM金属损伤机制对载荷类型的依赖性，为针对性优化工艺（如调控熔池结构）提供理论支撑；提出的三维缺陷量化与物理机器学习框架，可推广至其他AM材料疲劳寿命预测，推动"工艺-成像-性能"多尺度设计体系的工程应用。

【论文信息】

Critical damage events of 3D printed AlSi10Mg alloy via in situ synchrotron X-ray tomography

Zhengkai Wu,Shengchuan Wu,Jamie J.Kruzic,Yanan Hu,Huan Yu,Xingxing Zhang,Xiaopeng Li,Qingyuan Wang,Guozheng Kang,Philip J.Withers

通讯作者：吴圣川（西南交通大学）、Philip J.Withers（英国曼彻斯特大学）

Acta Materialia,282,120464,2025

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120464

论文部分图片，Zhengkai Wu et al.,Acta Mater.,2025