深冷热循环处理对激光选区熔化AlSi10Mg合金微观结构、力学性能及残余应力的调控机制研究

本文聚焦激光选区熔化(SLM)成形的AlSi10Mg合金，创新性地采用深冷热循环(CTC)处理技术（-160°C深冷/160°C时效交替），系统揭示了该技术通过促进Si相析出和原子团簇形成，实现显微硬度提升3-8%、抗拉/屈服强度分别增长4%和13%，同时显著降低71%残余应力的协同优化机制。研究为增材制造(AM)铝合金在航空发动机等关键领域的性能调控提供了新思路。

　　

Highlight

深冷热循环(CTC)处理作为金属材料关键热处理技术，在增材制造合金领域展现出提升力学性能和降低残余应力的双重潜力。本研究通过-160°C至160°C的交替处理，发现CTC虽未改变熔池形貌和共晶Si网络结构，但显著促进Si相析出和原子团簇形成，使合金显微硬度提升3-8%，极限抗拉强度(UTS)和屈服强度(YS)分别增长4%和13%，残余应力更降低71%。随着CTC循环次数增加，析出相数量呈指数级增长，力学性能增强效应持续放大。

X射线衍射分析

XRD图谱显示，原始态(AB)与经1次(C1A1)、3次(C3A3)CTC处理的样品均保持α-Al和Si相结构。值得注意的是，(200)晶面衍射峰出现明显宽化现象，暗示晶格畸变加剧。通过Williamson-Hall法计算发现，CTC处理后位错密度提升达18%，这为强度提升提供了关键位错强化机制。

微观结构演变

SEM观测揭示，CTC处理温度未达到应力消除退火所需阈值（~300°C），因此熔池层状堆叠结构和共晶Si三维网络保持稳定。但高分辨TEM发现，α-Al基体中纳米级Si析出相密度增加3倍，且出现尺寸<5nm的Mg₂Si原子团簇。这种"双尺度析出"结构成为性能强化的微观基础。

力学性能突破

纳米压痕测试显示，C3A3样品硬度达125HV，较原始态提升8%。拉伸试验表明，CTC处理通过析出强化和位错增殖的协同作用，使YS从280MPa跃升至317MPa，且断裂延伸率保持15%以上。这种"强韧共生"特性使其在航空承力构件中具有应用前景。

残余应力调控

拉曼光谱应力测绘发现，原始样品存在高达200MPa的拉应力，经CTC后降至58MPa。有趣的是，3次循环与1次循环的应力释放效果相当，说明应力消除主要发生在首个热循环周期。该发现为工程应用提供了工艺优化窗口。

Conclusion

(1) CTC处理通过低温相变驱动力和热循环累积效应，实现SLM AlSi10Mg合金的"析出相工程"精准调控；(2) 力学性能增强呈现循环次数依赖性，但残余应力释放存在"饱和效应"；(3) 该技术为航空航天轻量化构件提供"低能耗-高性能"热处理新范式。