激光粉末床熔融AlSi10Mg合金在变频率和热处理条件下的微动磨损行为研究

本研究针对激光粉末床熔融(LPBF)制备的AlSi10Mg合金，系统探究了不同振荡频率(5/10/15 Hz)和热处理状态(铸态/去应力/T5/T6)对其微动磨损行为的影响。通过X射线衍射(XRD)、硬度测试和残余应力分析揭示了微观结构与磨损性能的关联，发现铸态样品因细晶结构和高位错密度展现出最优异的抗磨损性能，频率升高会加速磨粒磨损和疲劳磨损机制。该研究为增材制造铝合金在动态载荷工况下的应用提供了重要理论依据。

　　

在机械工程领域，微动磨损(Fretting Wear)如同"无声的杀手"，悄悄侵蚀着各类运动部件的使用寿命。这种由微小振幅相对运动引发的磨损现象，在航空航天、汽车制造和能源装备等关键领域造成巨大经济损失。特别是随着增材制造(Additive Manufacturing)技术的兴起，如何保证3D打印金属部件在复杂工况下的耐磨性成为亟待解决的难题。卡纳塔克邦国立理工学院机械工程系的研究团队将目光聚焦于激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)技术制备的AlSi10Mg合金——这种轻质高强材料在汽车轻量化和航空航天领域具有广阔应用前景，但其在动态载荷下的微动磨损行为尚不明确。

研究人员设计了一套系统的实验方案：采用X射线衍射(XRD)分析相组成和残余应力，通过维氏硬度测试评估材料硬度分布，并利用扫描电镜(SEM)和3D轮廓仪观察磨损形貌。特别值得注意的是，团队对比研究了四种热处理状态（铸态、去应力、T5和T6）和三种频率条件（5Hz、10Hz和15Hz）下的磨损行为差异。

XRD分析揭示，铸态样品具有最小的晶粒尺寸（46.24 nm）和最高的半高宽(FWHM=0.213)，表明其存在高位错密度和残余应力。这种微观特征在5Hz低频条件下展现出最佳耐磨性，磨损体积损失仅为0.00034 mm³。残余应力测试显示铸态样品表面存在35 MPa的拉应力，而热处理后转变为压应力状态。

在摩擦系数(COF)方面，铸态样品始终表现最优，在5Hz时COF低至0.08。随着频率升高至15Hz，所有样品的COF均有所增加，但铸态样品仍保持最低值（0.118）。磨损形貌分析表明，低频（5Hz）下以粘着磨损(Adhesive Wear)为主，氧化层提供一定保护；而高频（15Hz）则引发磨粒磨损(Abrasive Wear)和疲劳磨损，加速材料失效。

氧元素分布图谱显示了一个有趣现象：5Hz时铸态样品的氧含量高达6%，说明氧化磨损占主导；而15Hz时氧含量降至1%，表明机械磨损机制成为主导。这一发现为理解频率对磨损机制转变的影响提供了直接证据。

该研究的创新性在于首次系统阐明了LPBF制备AlSi10Mg合金的微动磨损行为与频率、热处理状态的关联规律。研究证实，传统观念中"热处理必然改善材料性能"的认知在微动磨损工况下需要重新审视——铸态样品因其独特的细晶结构反而展现出最优异的耐磨性能。这一发现对增材制造零部件在动态服役环境下的工艺选择具有重要指导意义，相关成果发表在《Results in Surfaces and Interfaces》期刊上。

从工程应用角度看，这项研究为航空发动机叶片连接件、汽车传动系统等承受微动磨损的关键部件选材提供了新思路：在某些工况下，省略热处理环节不仅节省成本，反而能获得更优的耐磨性能。同时，研究揭示的频率-磨损机制对应关系，为预测零部件在不同运行速度下的寿命提供了理论依据。未来研究可进一步拓展至更宽频率范围和复杂环境因素，以完善增材制造铝合金的磨损预测模型。