当今社会面临着严峻的环境和能源挑战，因此，环境友好型材料成为各行各业的选择，轻量化发展也成为普遍目标，钛合金、不锈钢、镍合金和铝合金等轻量化材料备受关注。其中，AlSi10Mg合金因其良好的性能在生物医学、交通运输和航空航天等领域得到广泛应用。同时为实现结构轻量化，常采用高强度、轻量化材料和特殊结构替代传统实体结构 [1] [2] 。点阵结构因其形状可控、高比强度和吸能减振等特点，成为轻量化设计的主要方法。通过桁架单胞的构型和几何尺寸设计，去除零部件多余部分，实现内部中空化，从而达到轻量化目的。此外，除了轻量化外，合金的性能也至关重要，而合金性能则与合金内部微观结构存在紧密联系。为获得可以适应多种场合的AlSi10Mg合金，则可以通过热处理可改变合金内部的微观结构和析出相的分布，进而提高其AlSi10Mg合金强度和韧性。在进行热处理时，所选用的工艺和参数对于最终合金的性能具有至关重要的影响，包括但不限于加热温度、保温时间以及冷却速度等方面 [2] [3] 。此外，由于点阵结构一般比较复杂，多采用选择性激光融化(SLM)的方法制造研究。

目前，有关热处理的研究人员主要在不同的热处理方式和热处理的温度的拉伸性能等进行了研究。Park等 [4] 人对SLM制成的AlSi10Mg拉伸试件的只进行人工时效处理。发现其与原件一样，仍然具有熔池结构和细胞结构。Han [5] 等人对AlSi10Mg拉伸试件进行2小时的550℃固溶处理后发现热处理会降低合金的抗拉强度，同时由于晶粒生长和残余应力的释放使合金的延展性获得提高。Casati [6] 等人发现标准的T6热处理，导致了拉伸试件更高的延展性，但机械强度较低。Ahn [7] 等人对SLM制造的AlSi10Mg合金进行了不同温度(200℃, 260℃, 320℃)的人工时效处理，发现处理后的合金表现出出色的强度和延展性组合，归因于其细小的细胞结构和纳米级的针状沉淀物。由此可见多数的研究主要集中AlSi10Mg的拉伸试件的热处理方式和温度与拉伸性能的相关研究。

然而，对于不同热处理方式对AlSi10Mg的压缩性能的系统的研究却相对较少，而不同的热处理方式对铝合金的微观结构和力学性能产生很大的影响 [8] [9] 。为了更好地了解不同热处理方式对AlSi10Mg压缩性能的影响，则有必要设定通过不同的热处理组合以掌握热处理过程中热处理方式对AlSi10Mg点阵结构的微观结构和压缩性能的影响。

因此，本文主要关注的是不同热处理方式对选择性激光融化制造的AlSi10Mg点阵结构的微观结构及其压缩性能的影响。通过准静态压缩实验评估其压缩性能，同时讨论了不同热处理方式对微观结构以及压缩性能的相关性，为后续的选择性激光融化制造的AlSi10Mg合金的力学性能和微观结构等相关研究提供一定的参考价值。

本文通过准静态压缩试验研究不同冷却方式对压缩性能的影响。在压缩过程中，样品主要经历了弹性变形阶段、波动阶段和密集化阶段，根据压缩数据绘制了力–位移曲线，如 图2 所示。从图中可以观察到所有压缩图中都存在多个峰值，这表明在压缩的过程中，样品是逐层破坏的。样品的晶格结构能够吸收能量，其吸能的能力通常通过最大压溃峰值力(Peak Crushing Force, PCF)和比吸能(Specific Energy Absorption, SEA)等参数来表征 [9] 。

图2(a) 为原件和不同冷却方式的人工时效的样品的压缩曲线图，从图中可以观察到，这些样品表现出了明显的三个压溃峰值，原件的最大压溃峰值力为5.299 kN。与原件相比，人工时效处理使样品的最大压溃峰值力提高。在相同的热处理时间下，当冷却速度升高时，样品的最大压溃峰值力提高越多同时曲线的波动性也更大，其中180℃-6 h-制冷剂冷却的压溃峰值力最大，而另外两种冷却方式，由于冷却速度相对较慢，压溃峰值力略有下降。 图2(b) 为不同热处理时间的人工时效处理的样品的压溃曲线图，从图中可以观察到，在相同的冷却方式下，热处理时间的增加会使样品的最大压溃峰值力下降。然而，由于人工时效只能提高样品的最大压溃峰值力却无法提高延展性，所以由于样品的低延展性，原件及所有仅进行人工时效处理的样品在压缩过程中出现了压溃现象，即在压缩完成后，样品除了主体部分外，还有很多由于脆性断裂而脱落的碎块，如 图3 所示，这种脆性断裂现象在实际应用中无法有效地缓冲冲击或应力，因此不存在有效的比吸能，且具有较大的安全隐患。

图2. 人工时效处理的AlSi10Mg点阵结构的压缩曲线。(a) 不同冷却方式的人工时效处理样品；(b) 不同热处理时间的人工时效处理样品

为了更加直观的了解不同冷却方式和热处理时间的人工时效处理对AlSi10Mg点阵结构的影响，如 图4 所示。从 图4 中可以看出随着冷却速度的降低和热处理时间的增加，点阵结构的最大压溃峰值力下降，且相对于冷却速度的影响，时间对样品最大压溃峰值力的影响更大。不同人工时效处理的点阵结构的最大压溃峰值力及与原件相比的变化幅度如 表4 所示。

图5 为固溶处理的样品的压缩曲线，其中 图5(a) 为不同冷却方式的固溶处理的点阵结构的压缩曲线。从图中可以发现固溶处理后，相对于人工时效处理的压缩曲线，固溶处理的压缩曲线波动性更小，且点阵结构的最大压溃峰值力显著下降。在相同的热处理时间下，当冷却速度的降低，样品的压溃峰值力也相应降低。 图5(b) 为不同热处理时间的固溶处理的点阵结构的压缩曲线，从图中可以发现随着当冷却速度相同时，当热处时间增加时，样品的最大压溃峰值力也下降。

基于上述实验可以发现热处理时间对AlSi10Mg点阵结构的压缩性能的影响大于冷却速度，故固溶处理 + 人工时效则采用在525℃ + 2 h + 空冷的固溶处理的基础上进行不同热处理时间的人工时效处理的方法，其压缩曲线如 图6 所示。从 图6 中可以发现，后续的人工时效使样品的最大压溃峰值力上升，但在相同的冷却速度下，热处理时间对点阵结构的最大压溃峰值力的影响降低。此外，由于固溶处理和固溶

图5. 固溶处理的AlSi10Mg点阵结构的压缩曲线。(a) 不同冷却方式的固溶处理样品；(b) 不同热处理时间的固溶处理样品

处理 + 人工时效处理的温度较高，虽然样品的压溃峰值力下降但延展性获得巨大的提高，所以这些样品的压缩过程如 图7 所示，在整个过程中未出现如人工时效一样的压溃现象，即固溶处理和固溶处理 + 人工时效处理可以使样品有效的吸收能量。

图8 中展示了不同固溶处理和固溶处理 + 人工时效处理的点阵结构的最大压溃峰值力。从图中可以

发现，对于固溶处理阶段，当热处理时间增加和冷却速度降低时，点阵结构的最大压溃峰值力相应降低且趋势明显，变化趋势与仅人工时效处理的样品一致。而对于后续的人工时效处理，虽然同样表现出热处理时间的增加最大压溃峰值力下降，但变化趋势不明显，表面热处理时间对样品的影响降低。

除了最大压溃峰值力外，比吸能也是评估点阵结构压缩性能的重要参数之一，其计算公式如公式(1)所示 [10] 。

$SEA=\frac{{{\displaystyle \int }}_0^{\delta }F\left(X\right)dx}{M}$(1)

式中M为样品的质量，而 ${{\displaystyle \int }}_0^{\delta }F\left(X\right)dx$为晶格结构样品在压缩变形过程中所吸收的总能量，可以通过

压缩曲线下的面积来计算。不同固溶处理和固溶处理 + 人工时效处理的样品比吸能如 图9 所示。从图中可以观察到，对于固溶处理阶段，随着热处理时间的增加和冷却速度的降低，样品的比吸能都表现出先增加后降低的趋势。而对于后续的不同热处理时间的人工时效，随着热处理时间的增加，样品的比吸能也表现出先增加后降低的趋势，但变化幅度也相较于固溶处理阶段低。所有固溶处理和固溶处理 + 人工时效处理的点阵结构的最大压溃峰值力和比吸能的具体数值及与原件相比的变化幅度如 表5 所示，比吸

能则以525℃-2 h-空冷为参考。可见就AlSi10Mg点阵结构的压缩性能而言，最佳的热处理工艺为525℃-2 h-空冷 180℃-6 h-空冷。

为了解不同热处理方式对样品的微观结构的影响，通过扫描电子显微镜分别对不同冷却速度和不同热处理时间的样品进行观察，由于人工时效未能改变点阵结构在压缩过程中的脆性断裂，故对不同冷却方式的观察为固溶处理的样品，如 图10 所示。在 图10(a) 为未经过热处理的原件，可以清晰地看到主要由细长的细胞状α-Al基体和非常细的树枝状共晶Si网络组成。这种结构形态是由于在选择性激光融化制造的过程中，AlSi10Mg的冷却速度较高，导致Si相颗粒仅在α-Al基体细胞的边界处有少量析出。在 图10(b)~(d) 中展示了经过525℃-2 h-不同冷却方式的样品的扫描电镜图片。观察到随着冷却速度的降低，样品中Si相颗粒的析出逐渐增多，分布也逐渐趋于均匀，同时颗粒的尺寸也逐渐增大，这表明了低冷却速度使得Si相有更充分的时间来析出并形成更大的颗粒，从而影响了合金的力学性能和微观结构特征。析出颗粒尺寸随冷却速度的降低依次为1.08 μm，1.26 μm和1.46 μm。

图10. 原件及不同冷却方式的固溶处理的样品的表面微观特征。(a) 原件；(b) 525℃-2 h-制冷剂；(c) 525℃-2 h-空；(d) 525℃-2 h-炉

在 图11 中， 图11(a) 为525℃的固溶处理2 h后，接着进行180℃的人工时效4 h的样品，可以观察到相比于525℃-2 h-空冷样品，析出量进一步增加，Si颗粒的尺寸也进一步变大，其平均尺寸为1.69 μm。 图11(b) 为6 h的人工时效处理后的样品，可以观察到更多大尺寸的Si相颗粒析出，其平均尺寸达到2.07 μm。 图11(c) 为经过8 h人工时效处理后的样品，主要为大尺寸析出物，与6 h的样品相比，其尺寸变化不大，平均尺寸为2.10 μm。发现随着人工时效处理时间的增加，Si相颗粒的析出量和尺寸逐渐增加。在较短的人工时效处理时间内，Si相颗粒的尺寸有显著增加，且数量增多。然而，随着时间的进一步延长，Si相颗粒的尺寸增长趋势变得缓慢，尺寸的变化不大。这可能是因为在较短的时效处理时间内，基体内的Si元素为完全析出，因此尺寸增长较为明显。而随着时间的增加，Si等元素几乎完全析出，导致了尺寸增长速度的减缓。

图11. 不同热处理时间的固溶处理 人工时效处理的样品的表面微观特征。(a) SHT + 180℃-4 h-空；(b) SHT + 180℃-6 h-空；(c) SHT + 180℃-8 h-空

通过上述观察，可以发现点阵结构的压缩性能与材料内部析出颗粒尺寸，数量以及分布密切相关。原件在选择性激光融化制造过程中经历了极高的冷却速度，这种高速冷却导致了样品内部Si颗粒之间的距离极小，并形成了树枝状共晶Si网络。这一网络结构正是样品的最大压溃峰值力高但延展性较差的主要原因之一。随着固溶处理的进行，Al基体中的Si相析出量也随之增多，导致了树枝状共晶Si网络逐渐演变成为独立分布的相对较大尺寸Si颗粒，从而使Si颗粒之间的距离增大，这使样品的延展性有效提高，但与此同时也会导致试件的强度降低，也使压缩过程中的脆性断裂消失。而后续的人工时效处理使得样品内部的Si相析出进一步增加，这也是使得样品最大压溃峰力值进一步提高，而随着热处理时间的继续增加，相邻的Si相颗粒相融导致颗粒数量减少。

当冷却速度相同时，随着热处理时间的增加，样品的最大压溃峰值力也相应降低，这种现象可以通过霍尔–佩奇效应进行解释，霍尔–佩奇效应的所提供的强化效果可以用公式(2)表示。

$\sigma ={\sigma }_0+K_{H-P}*d^{-1/2}$(2)

式中的σ是材料的抗拉强度，σ₀是无晶界的抗拉强度， $K_{H-P}$是材料的霍尔–佩奇系数，d是晶粒尺寸，由此可见当d越小时，强化效果越好。原始样品在制造过程中由于快速冷却，样品的平均晶粒尺寸小，所以其强度也就高。而在后续的热处理中，由于热处理温度和热处理时间的增加，样品内部的晶粒具有了生长条件，除了析出量增加外，样品的平均晶粒尺寸也相应增加，故导致霍尔–佩奇效应提供的强化效果降低，也就导致样品的最大压溃峰值力随着热处理时间的增加而降低。

在本文的研究中，系统地研究了不同热处理方式对选择性激光融化制造的AlSi10Mg样品的析出相和压缩性能的影响，有助于优化工艺、指导材料设计，提高材料性能，并促进理论研究。通过调控热处理参数，可以精确控制材料的微观结构和力学性能，实现定制化材料设计，满足特定工程需求，推动材料科学领域的发展。

同时可以得到以下结论：

1) 固溶处理明显改善了AlSi10Mg点阵结构的压缩性能，降低了最大压溃峰值力，并减少了曲线波动性。人工时效处理提高了峰值力，但影响较小，无法显著改善稳定性和韧性。热处理时间增加和冷却速度降低，不论处理方式，样品的性能趋势一致。

2) 制造过程中由于高速冷却形成的树枝状共晶Si网络导致了样品的高压溃峰值力和较差的延展性。固溶处理使结构转变为独立分布的Si相颗粒，随着时间的增加和冷却速度的降低，Si相颗粒逐渐增多并独立分布，提高了延展性但降低了强度，消除了脆性断裂。人工时效进一步增加Si相析出，提高了最大压溃峰值力。合适的热处理工艺可以提高结构的比吸能，最佳的热处理工艺为525℃-2 h-空冷 180℃-6 h-空冷。

大连市科技创新基金应用基础研究项目(2022JJ12GX029)；辽宁省科技计划项目(编号：LJKZ0493)。