《Acta Materialia》：激光粉末床熔融铝硅合金的溶质演变模型及其提高导热性应用|热导率|高温合金|acta materialia

金属增材制造（AM）可提供设计自由度极高的零件。传统制造技术无法实现的复杂结构，如薄壁结构、多孔结构和晶格结构，都可以通过 AM 技术轻松制造出来。高设计自由度将为热管理部件带来巨大优势，因为表面与体积的纵横比提高了，可以通过 AM 部件与周围冷却介质之间的界面加强热传输。然而，金属 AM 部件的热传导率却大大降低。例如，激光粉末床熔融（LPBF）AlSi12 的导热率（∼120 W m-1 K-1 ）远低于铸件（∼160 W m-1 K-1）。这种减少是 LPBF 快速凝固的直接结果。高度非平衡的快速凝固通常会产生比铸造产品更多的缺陷（溶质原子、边界、位错、空位、气孔等）。因此，与传统制造的零件相比，AM 零件中的缺陷会更严重地分散导热载体。在 LPBF 引起的缺陷中，溶质原子被认为是影响导热性的主要因素。因此，减少夹杂在 AM 零件固溶体基质中的溶质量迫在眉睫。为解决这一问题，需要全面了解成型 AM 零件中溶质的演变情况。来自广西大学、广西壮族自治区教育厅和美国普渡大学的学者提出了一种能够描述激光粉末床熔融（LPBF）铝硅合金中溶质演变的模型。该模型采用了三维罗森塔尔方程和快速枝晶生长理论。由于该方程和理论具有分析性质，避免了对晶胞/枝晶以及共晶的详细微观结构进行建模，并忽略了晶粒成核/消除过程，因此所提出的模型计算效率高，仅需∼ 10 分钟就能描绘出整个熔池中溶解溶质的空间分布。该模型通过扫描透射电子显微镜-能量分散谱（STEM-EDS）分析进行了验证。经过验证的模型随后被应用于设计 LPBF Al-Si 合金的制造策略，希望通过有目的地调整加工参数来提高合金的热导率。该模型能够揭示固溶体基质中溶解的溶质总量与激光/原料粉末参数之间的相关性。相关工作以题为“A model for solute evolution in laser powder bed fused Al-Si alloys and its application to improve thermal conductivity”的研究性文章发表在Acta Materialia。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119444图 1. 样品尺寸示意图。金色部分是经过不同研究/测试/测量的最终部件图 2. 建模算法流程图图 3. 动力学 Al-Si 相图用于确定 α-Al 基体 (c*s) 中捕获的溶质 Si 的含量。为了便于演示，左叉表示在 AlSi10Mg 中以生长速率 R* = 400 mm⋅s− 1和热梯度 G* = 3 × 106K⋅m− 1获得的 c*s。图 4. (a) 尾随 S/L 界面以及 (b)热梯度 (G*)、(c) 生长速率 (R*)、(d) 过冷度 (ΔTc+ ΔTr + ΔTk) 的场的建模结果， (e) 该表面上溶解的溶质 Si 含量 (c*s)。(f) 投影到 y-z 平面上，3-D c*s 场转换为 (g) 2-D 版本，反映了凝固轨迹中溶解的溶质 Si 的分布。图 5. 模型验证。(a) 在 TEM 观察下进行 STEM-EDS 分析的区域概览。(b) (a)图中红框所围受检区域的特写，现场标有溶解硅量的测量值。(c) STEM-EDS 分析轨迹（图（a）中的 AV 线）在熔池中的定位，A'V'线代表复制品。(d) 面板(c) 中盒子的特写，显示了线 A’V’ 上/附近的一些网格点处的建模c*s值。(e) 测量的和模拟的溶解硅含量的比较。图 6. LPBF 部件的横截面示意图，其中填充了一个重复的构件（以外侧红色粗线为界）。图 7. 三种建议策略的效果。(a)显示的是策略 1 的效果；(b)或(c)显示的是策略 2 的效果；(b)和(c)的相互比较显示的是策略 3 的效果（误差条代表三次测量的一个标准偏差）。图 8. LPBF Al-Si 系列合金具有代表性的微观结构特征，包括：（a）内部致密无裂纹，气孔随机分散（箭头所示）；（b）熔池的典型尺寸为几百微米、(c) 与熔池边界大致呈法线生长的普遍柱状晶粒（用虚线表示），(d,e) α-Al 单元被亚微米级的富硅网络结构包围（误差条代表一个标准偏差），以及(f) 只存在 FCC α-Al 和菱形立方硅相。图 9. 热导率 (κ) 表示为两种不同 Si 添加量 (c0) 下平均溶质 Si 含量 (XSi) 的函数。结合三维罗森塔尔方程和LKT-BCT 快速枝晶生长理论，本工作提出了一个方便的模型，可以模拟 LPBF 条件下整个熔池溶解溶质的空间分布。根据该模型对溶质演变的洞察，可以有目的地调整 LPBF 加工参数，以降低溶解在 α-Al 基体中的硅溶质的平均量，从而提高 LPBF Al-Si 合金的热导率。利用史密斯-帕尔默方程对热导率进行的定量评估证实，在工艺引起的缺陷中，溶解的溶质 Si 对热导率的影响最大，而且其影响程度可在很大范围内定制。测得的热导率与Smith-Palmer 方程的预测值之间的一致性表明，该模型也能很好地预测整个 LPBF 部件中夹带的溶质平均量，这也是该模型能够模拟不同部位溶质量的结果。（文:SSC）本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系并保留此说明框。