激光增材成形纯锌的微观组织及力学性能各向异性研究（特邀）

重点研究了激光选区熔化成形纯锌（Zn）的微观组织和力学性能的各向异性及产生机理。分别对垂直和平行两个构建方向的纯锌试样进行了试验研究，采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射仪（EBSD）对晶粒尺寸、形貌、取向和分布进行了表征。结果表明：纯Zn试样在垂直平面上存在粗柱状晶，平均晶粒尺寸约为17.24 μm，晶粒取向优先沿

〈0001〉

方向生长；在水平平面上则表现为等轴晶粒，表现出较弱的

〈10 \overset{ˉ}{1} 0〉

与

〈11 \overset{ˉ}{2} 0〉

纤维织构，等轴晶的平均晶粒尺寸为10.21 μm，相比垂直平面减小了约40.8%。沿水平平面成形的试样的极限抗拉强度和延伸率分别为123.5 MPa和11.7%，而沿垂直平面成形的试样的极限抗拉强度和延伸率分别为108.0 MPa和14.1%。SLM成形纯锌在微观结构与力学性能上均存在明显的各向异性：沿水平平面成形的试样的强度高，归因于更细小的晶粒尺寸和更大的初始位错密度；沿垂直平面成形的试样的延展性更好，则是因为更多的高角度晶界有效阻碍了裂纹偏转。研究结果揭示了激光选区熔化增材制造纯Zn的微宏观各向异性机理，为Zn在医用植入物中的应用提供了理论参考。

Abstract

Objective

Selective laser melting (SLM) is a widely popular metal additive manufacturing technique that offers distinct advantages in fabricating bone implants with customized shapes and internal bionic porous structures. In particular, using a very high cooling rate (10³?10⁸ K·s^-1) during the SLM process can inhibit the grain growth of pure Zn and confer good mechanical properties. This study reveals the internal relationship between the microstructure and mechanical anisotropy of SLM-fabricated pure Zn. We also report the influences of the grain characteristics and texture on the anisotropy.

Methods

The purity (mass fraction) of Zn powder used in this experiment is 99.9% and the sizes of particles are 7.2?29.7 μm. Pure Zn samples are fabricated using a commercial SLM printing device equipped with a 200 W fiber laser. The density of a pure Zn sample is greater than 99.5% when using optimized forming parameters (laser power P=80 W, and scanning speed V_S=900 mm·s^-1). To investigate the mechanical anisotropy, the fabricated Zn samples with dimensions of 8 mm×8 mm×8 mm are microscopically characterized in the horizontal and vertical directions. After etching with the 4% (volume fraction) nitric acid solution for 5 s, the microstructures on both the horizontal and vertical planes of the Zn samples are characterized using a metallographic optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM). The grain orientation, grain size, and texture information are analyzed using electronic backscattered diffractometer (EBSD). Moreover, tensile samples with a gauge length of 22.0 mm, width of 3.0 mm, and thickness of 2.8 mm are fabricated for tensile tests.

Results and Discussions

Significant differences are observed in the microstructures of Zn samples formed by SLM on horizontal and vertical planes. A large number of equiaxed grains are observed on the horizontal plane in the OM and SEM images. In contrast, fish-scale molten pools with depth of 30?50 μm and width of 100?150 μm are found on the vertical plane. Furthermore, most of the grains exhibit preferred orientations along $〈\overset{ˉ}{1} 2 \overset{ˉ}{1} 0〉$ and $〈01 \overset{ˉ}{1} 0〉$ perpendicular to the building direction (BD) on the horizontal plane. In contrast, on the vertical plane, a majority of the grains display preferred orientations along $〈0001〉$ (red region) parallel to the BD. Notably, the average grain size (10.21 μm) on the horizontal plane is 40.8% smaller than that (17.24 μm) on the vertical plane. The statistical distribution of grain boundary misorientation angles (Fig.6) and analysis results of the Kernel average misorientation (KAM) (Fig.7) indicate that low-angle grain boundaries (LAGBs) are more prevalent on the horizontal plane and these areas also exhibit a higher dislocation density. The KAM value on the horizontal plane is 0.84°, which is marginally higher than the value of 0.79° observed on the vertical plane. Finally, we report the examination results of the tensile properties of the SLM-fabricated Zn in both the horizontal and vertical orientations (Fig.8). The strain hardening rate of the specimens in the horizontal direction exceeds that of the specimens in the vertical direction. A quantitative analysis of the tensile properties reveals distinct mechanical characteristics for Zn specimens fabricated on different planes. The yield strength, ultimate tensile strength, and elongation of the specimens fabricated on the horizontal plane are 108.0 MPa, 123.5 MPa, and 11.7%, respectively. However, Zn specimens fabricated on the vertical plane exhibit a yield strength of 90.2 MPa, an ultimate tensile strength of 108.0 MPa, and an elongation of 14.1%. Although specimens fabricated on the horizontal plane demonstrate yield and ultimate tensile strengths that are 16.5% and 12.5% greater than their vertical counterparts, respectively, their elongation rate is 17% lower than that of the vertical specimens. The aforementioned results collectively indicate the presence of anisotropy in the mechanical properties of SLM-fabricated Zn.

Conclusions

This study reports the investigation results on the microstructure and mechanical properties of SLM-fabricated Zn in both the horizontal and vertical directions, with a particular focus on the grain morphology and orientation. Furthermore, the relationships between these microstructural aspects and mechanical properties are discussed. The SLM-fabricated Zn exhibits pronounced anisotropy in its tensile strength and ductility. Specimens fabricated on the horizontal plane exhibit a higher yield strength and ultimate tensile strength but a lower elongation rate compared to those fabricated in the vertical direction. The greater strength of horizontally fabricated specimens is primarily attributed to their finer grain size and higher initial dislocation density, which hinder dislocation movement. Conversely, specimens fabricated on the vertical plane demonstrate enhanced ductility because they contain a higher proportion of high-angle grain boundaries, which effectively impede crack propagation and thereby prevent premature fracturing.

1　引言

生物可降解金属具有优异的力学性能，在骨植入体和血管支架等医疗植入物中具有广阔的应用前景^［1］。与不锈钢、钛合金、钴铬合金等永久性医用金属相比，可降解金属可在人体内降解，无需担心长期损伤和二次手术^［2-3］。理想的生物可降解金属应当具有良好的生物相容性、合适的降解速率以及良好的力学性能，典型材料包括镁（Mg）、锌（Zn）和铁（Fe）。Mg降解时会释放氢气且降解速率快，使得骨骼的再生时间不足，进而影响愈合过程中骨的机械完整性^［4］。Fe降解太慢，且降解产物可能导致代谢并发症^［5］。Zn是人体必需的微量元素之一，电极电位（-0.762 V）处于Mg（-2.037 V）和Fe（-0.44 V）之间，表现出更适宜的降解速率^［6］。此外，已有研究通过体内和体外试验证明，锌具有良好的生物相容性，能通过增强成骨细胞基因与抑制破骨细胞分化来促进骨修复^［7］。

由于锌晶格属于密排六方（HCP）结构，常温加工性能较差，常用传统方法（如铸造）制备的锌的力学性能通常较弱（极限抗拉强度为20 MPa，延伸率为0.3%）^［8］。另一方面，骨植入物需要个性化的定制形状与内部互通的多孔结构，为骨组织再生提供必要的空间^［9］。激光选区熔化（SLM）增材制造技术采用高能激光选择性地熔化粉末颗粒形成熔池，已被广泛用于制造尺寸精度高、力学性能优异的金属骨植入物^［10］。SLM过程中极高的冷却速率（10³~10⁸ K·s^-1）可以抑制晶粒生长^［11-12］，使成形的纯锌获得良好的力学性能（极限拉伸强度超过100 MPa，延伸率超过10%）^［13］，SLM技术在制造Zn植入体方面表现出独特优势。

近年来，SLM成形纯Zn的研究主要集中在工艺参数对成形件致密化和力学性能的影响方面。例如，米兰理工大学Montani等^［14］首次利用SLM成形纯Zn，采用的激光功率为300 W、扫描间距为100 μm、扫描速度为600~1900 mm/s，获得的成形试样的致密度最高达88%，表现出比铸态Zn更高的机械强度。由于Zn的熔沸点低，在成形过程中易蒸发，蒸发烟雾将阻碍激光能量的有效传递，最终降低试样的致密度。暨南大学Wang等^［15］优化了SLM成形Zn的工艺参数，探讨了工艺参数对其力学性能的影响。他们发现，随着激光能量密度的增加，Zn试样的强度和延展性逐渐提高，最优参数下得到的SLM成形Zn试样的致密度为93.04%，极限抗拉强度和延伸率分别为95.93 MPa和11.73%。江西理工大学Yang等^［16］研究了SLM成形纯Zn工艺参数、成形质量和力学性能之间的关系，发现成形质量随着激光功率或扫描速度的增加而提高，高激光功率导致织构强度增大和晶粒粗化。当激光功率为800 W、扫描速度为800 mm/s时，其相对密度达到99.5%以上，最优工艺参数下得到的纯Zn试样的平均硬度、机械强度和伸长率分别达到50.2 HV、127.8 MPa和7.6%。

然而，关于SLM成形纯Zn的微观组织和力学性能的各向异性的系统研究较少。比利时鲁汶大学Lietaert等^［17］研究了不同扫描策略对SLM成形纯Zn微观织构和力学性能各向异性的影响，沿垂直和水平方向的抗拉强度分别为~100 MPa和~79 MPa，延伸率分别为10%和12%。清华大学Qin等^［18］也研究了不同加工参数与构建方向对成形纯Zn的力学性能和腐蚀行为的影响，发现在相同参数下，沿垂直平面成形的试样比沿水平平面成形的试样表现出更高的强度和延展性，表明纯锌的力学性能存在各向异性。然而，在SLM快速凝固条件下，成形纯锌各向异性的产生机理仍需进一步分析。

本文重点研究了SLM成形纯Zn的微观组织和力学性能的各向异性及形成机理。首先，通过SLM分别沿“水平平面”（垂直于激光方向）和“垂直平面”（平行于激光方向）成形纯Zn试样。采用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射仪（EBSD）对两种试样进行微观表征，以揭示微观组织的各向异性特征。通过拉伸测试研究了晶体学特征对SLM成形纯Zn力学性能的各向异性的影响。最后，分别对拉伸件的断口形貌进行了SEM显微观察和分析，并结合微观组织讨论了产生各向异性的原因。研究旨在阐明SLM成形纯Zn的微观结构与力学性能各向异性间的内在联系，探索晶粒特征和织构对各向异性的影响规律。

2　材料与方法

2.1　原料与工艺

本试验所用气雾化纯锌粉末的纯度（质量分数）为99.9%。扫描电子显微镜显示粉末具有良好的球形度，如图1（a）所示。采用激光粒度分析仪（LPSA）测量粉末的粒径分布，得到累计粒度分布数达到10%时对应的粒径D₁₀=7.2 μm，累计粒度分布数达到50%时对应的粒径D₅₀=14.9 μm，累计粒度分布数达到90%时对应的粒径D₉₀=29.7 μm，如图1（b）所示。试验前将粉末置于干燥箱中，在120 ℃下干燥6 h。

图 1. 纯锌粉末特征。（a）SEM形貌；（b）粒径分布

Fig. 1. Characteristics of pure Zn powder. (a) SEM morphology; (b) particle size distribution

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2.2　制备方法

采用商用SLM成形设备成形纯锌试样。该设备配备功率为200 W的光纤激光器，光斑直径为70 μm。采用45号钢作为成形基板，经打磨和清洁处理后开展试验。关键工艺参数包括激光功率（P）、扫描速度（V_S）、扫描间距（H_S）和层厚（D_S）。激光能量密度（E_V）的计算公式为

E_{V} = \frac{P}{V_{S} \cdot H_{S} \cdot D_{S}}

。（1）

优化成形工艺参数，使试样致密度大于99.5%。优化参数为P=80 W，V_S=900 mm·s^-1，H_S=55 μm，D_S=30 μm。在垂直和水平平面上成形了尺寸为8 mm×8 mm×8 mm的方块试样用于微观表征，同时成形了标距长度为22.0 mm、宽度为3.0 mm、厚度为2.8 mm的拉伸试样用于机械拉伸测试，尺寸如图2（a）所示。采用相邻层间旋转角度为45°和135°的扫描轨迹，沿水平平面和垂直平面成形的试样分别如图2（b）、（c）所示。

图 2. SLM成形纯锌试样。（a）拉伸试样的尺寸示意图；（b）沿水平平面成形的Zn试样；（c）沿垂直平面成形的Zn试样

Fig. 2. Pure Zn samples formed by SLM. (a) Dimensional diagram of tensile specimen; (b) Zn sample formed along horizontal plane; (c) Zn sample formed along vertical plane

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2.3　表征和测试方法

首先使用碳化硅砂纸研磨试样，然后用二氧化硅悬浊液进行抛光，最后用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀2 s左右。通过光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜观察成形方块试样的形貌。在得到高质量电子背散射图案前，使用宽束氩离子抛光系统进行氩离子抛光。氩离子研磨的参数包括：喷枪与试样表面成2°角度放置，并在6 keV下粗抛光2 h，然后在1 keV下抛光1 h。试样准备完成后采用电子背散射衍射仪表征晶粒的微观结构特征，扫描在电压20 kV下进行，扫描步长为0.5 μm。晶界是根据其取向差角定义的：取向差角在2°~15°区间的晶界被定义为低角度晶界（LAGBs），而取向差角大于15°的晶界被定义为高角度晶界（HAGBs）。纹理强度由极图（PF）和反极图中最大均匀密度（d）的倍数表示。通过EBSD生成核平均取向错位角（KAM）分布图，量化每个像素与其最邻近像素的平均取向误差（即局部取向误差分布），并排除超过5°的误差。使用万能材料试验机在室温下以0.5 mm/min的恒定速度进行拉伸试验。测试前对试样表面进行清洁和干燥处理。每组参数下测试5个试样，得到平均值和标准差。拉伸测试后，使用SEM观察其断面形貌。

3　分析与讨论

3.1　微观组织

图3为SLM沿不同平面成形的纯锌的形貌特征。图3（a）、（d）为沿垂直平面成形的纯锌试样的光学显微图，尽管致密度已超过99.5%，但仍观察到少量孔隙与微裂纹。SLM成形纯Zn的冶金缺陷的形成原因如下：一方面，Zn的低熔沸点导致熔池中的材料过度蒸发，Zn蒸气容易被熔池捕获，形成随机分布的孔隙；另一方面，高扫描速度缩短了熔体的凝固时间，熔体与相邻固体难以发生充分冶金结合，形成不规则孔洞。图3（b）、（e）所示为沿水平平面构建的Zn试样的垂直截面的光学显微形貌。在此截面上可观察到鱼鳞状熔池及成形缺陷，熔池边界清晰可见［图3（e）］。熔池深度为30~50 μm，平均宽度为100~150 μm，相邻熔池部分重叠，且沿垂直方向排列。未观察到层间缺陷，表明凝固层间具有良好的冶金结合。为进一步研究晶粒组织，对试样进行SEM高倍观察，水平平面与垂直平面分别如图3（c）、（f）所示。在图3（c）中观察到典型的Zn晶粒结构，在水平平面上晶粒呈现出等轴状，且晶粒沿沉积方向呈向上生长趋势，晶粒边界具有起伏的表面。图3（f）显示了垂直平面的SEM图像，箭头显示了柱状晶粒的方向，虚线标明熔池边界的位置。

图 3. SLM成形Zn试样在不同平面上的微观结构。水平平面上的（a）（b）OM图和（c）SEM图；垂直平面上的（d）（e）OM图和（f）SEM图

Fig. 3. Microstructures of Zn samples formed by SLM on different planes. (a)(b) OM images and (c) SEM image on horizontal plane; (d)(e) OM images and (f) SEM image on vertical plane

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图4显示了SLM成形Zn试样的垂直平面和水平平面的EBSD反极图（IPF）和晶粒尺寸分布统计图，可以发现微观组织具有明显的各向异性。在试样垂直截面上的IPF图中可以观察到沿垂直平面分布的柱状晶粒［图4（a）］，大多数晶粒取向沿 $〈0001〉$ 方向，表明该合金中存在 $〈0001〉$ 纤维织构。SLM是一个自下而上逐层成形的工艺，存在向上的热梯度，因此柱状晶粒在SLM成形试样中很常见^［19］。由于激光重熔和传导引起的多次热循环，柱状晶粒在刚凝固的水平平面上生长，故沿垂直平面形成了相当大的晶粒，平均截距可达数百微米。此外，晶粒生长方向由热通量方向（HFD）和首选晶体取向（ $〈0001〉$ 密排面）决定，熔池的HFD通常平行于垂直边界切线方向并指向熔池中心。因此，晶粒跨越多个熔池生长并达到几层的高度，最终形成 $〈0001〉$ 纹理。图4（b）是试样水平截面的EBSD晶体取向图，该平面上出现的是排列规则的等轴晶粒，且相比于垂直平面上的柱状晶，等轴晶粒中 $〈0001〉$ 取向的晶粒数量减少，而 $〈\bar{1} 2 \bar{1} 0〉$ 与 $〈01 \bar{1} 0〉$ 取向的晶粒数量增加。在反极图中还可以看到明显的激光扫描轨迹，轨迹的相邻边界有很多更细的晶粒。纯锌粉末熔融时，合金晶粒尺寸会受到多个因素的共同作用。冷却速度越高，晶粒尺寸越小，扫描边界处的冷却速度较大，所以边界处的晶粒相对熔池内的晶粒会更细小，这种精细的微观结构归因于SLM过程中的高冷却速率和晶粒凝固的成核效应。图4（c）、（d）分别显示了对应的两个界面的晶粒尺寸分布图。根据晶粒尺寸分布统计，成形纯锌试样垂直平面上的平均晶粒尺寸约为17.24 μm，其中晶粒尺寸大于10 μm的粗大柱状晶粒的数量占比为40.19%。相比之下，水平平面上的平均晶粒尺寸仅为10.21 μm，其中32.77%（数量占比）的晶粒大于10 μm，平均晶粒尺寸减小了40.8%。

图 4. SLM成形Zn试样在不同平面上的EBSD结果。垂直平面上的EBSD晶粒（a）取向图与（c）尺寸分布图；水平平面的EBSD晶粒（b）取向图与（d）尺寸分布图

Fig. 4. EBSD results of Zn samples formed by SLM on different planes. (a) Orientation map and (c) grain size distribution map of EBSD grains on vertical plane; (b) orientation map and (d) grain size distribution map of EBSD grains on horizontal plane

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为进一步研究微观组织的各向异性，分析了Zn试样垂直平面和水平平面的极图与反极图，结果如图5所示。在垂直平面上，大多数柱状晶粒有着较强的 $〈0001〉$ 织构［图5（a）］，成形时垂直方向的高温度梯度导致SLM成形Zn在垂直平面上出现 $〈0001〉$ 纤维织构；在水平平面的水平方向上，织构强度较低，呈现出相对较弱的 $〈10 \bar{1} 0〉$ 与 $〈11 \bar{2} 0〉$ 取向强度［图5（c）］。同时，极图也显示出 $〈0001〉$ 晶体织构与横截面的垂直方向存在轻微的错位，其中大多数 $〈0001〉$ 取向分布在中心偏离垂直方向的圆形区域内。为了量化晶粒取向以更直观地显示结果，这里引入织构指数与织构强度来表示晶粒的择优取向。织构指数（ $T_{i}$ ）可由取向分布函数计算得到：

T_{i} = {\int [f (g)]}^{2} d g

，（2）

式中：f为织构取向分布；g为欧拉坐标系； $f (g)$ 为取向分布函数。据此可得垂直平面上的织构指数因 $〈0001〉$ 强织构的存在而高达12.72，而水平平面上的织构指数仅为6.55。织构强度是织构指数的平方根，用来表征晶粒取向，根据取向反极图可得二者的织构强度分别为3.57和3.36，不难发现两个截面的织构指数与织构强度均大于1^［20］，这说明纯锌的微观组织有明显的各向异性。

图 5. SLM成形Zn试样在不同平面上的极图与反极图。垂直平面上的（a）反极图和（b）极图；水平平面上的（c）反极图和（d）极图

Fig. 5. Pole and inverse pole figures of Zn samples formed by SLM on different planes. (a) Inverse polar figures and (b) polar figure on vertical plane; (c) inverse polar figures and (d) polar figure on horizontal plane

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图6分析了纯锌试样水平平面与垂直平面上的晶界错位角分布情况，其中LAGBs用浅色线条表示，HAGBs用深色线条表示。如图6（a）、（c）所示，在试样的两个截面中都发现了最大比例的LAGBs，且在两个截面中，在柱状晶和等轴晶内部均观察到大量的HAGBs。这是由于激光熔化粉末时，已熔融凝固的表面再次熔化，该表面上的晶粒会重新结晶，LAGBs向HAGBs转变^［21］。由图6（b）、（d）可得水平平面上的LAGBs体积分数为69.4%，而垂直平面上的LAGBs体积分数为61.6%。

图 6. SLM成形Zn试样在不同平面上的晶界错位角。垂直平面上晶界错位角的（a）分布及（b）统计图；水平平面上晶界错位角的（c）分布及（d）统计图

Fig. 6. Grain boundary misorientation angles of Zn samples formed by SLM on different planes. (a) Distribution and (b) statistical diagram of grain boundary misorientation angle on vertical plane; (c) distribution and (d) statistical diagram of grain boundary misorientation angle on horizontal plane

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图7进一步分析了SLM成形Zn在不同平面上的核平均取向错位角。KAM与几何必需位错密度有关，代表了局部晶格应变水平^［22］。也就是说，高的位错密度代表了高的存储应变能，表明高的局部晶粒取向。SLM由快速加热和冷却的非稳态过程主导，导致Zn基体中产生了不同的位错密度。如图7（a）、（c）所示，浅色对应于高位错密度区域，而深色代表低位错密度区域。在水平平面与垂直平面上，浅色区域主要集中在晶粒内部和亚结构边界处，说明细晶区的位错密度更高；而在垂直平面上，深色区域的占比更大，说明此面上的位错密度更低。进一步定量计算了两个截面的平均KAM值［图7（b）、（d）］，沿水平平面成形的试样的平均KAM值为0.84°，略高于沿垂直平面成形的试样（0.79°），因此水平平面上的位错密度更高，与KAM分布图中显示的结果一致。这种差异归因于水平平面的晶粒尺寸更小，通常细晶粒具有较大的KAM值^［23］。因此，水平平面上的KAM值相比垂直平面更大，位错密度更高。一般来说，较高的KAM表明材料中积累了较大应力，晶界作为一种屏障，可以有效地阻碍位错的运动^［24］，从而导致晶界处的高应力积累。随着应变的增加，沿水平平面成形的试件的KAM增量会大于沿垂直平面成形的试件。高位错密度区域的变形抗力更大，位错运动得到抑制，最终合金的强度显著增加。

图 7. SLM成形Zn试样在不同平面上的KAM分析结果。垂直平面上KAM的（a）分布图及（b）相应的直方图；水平平面上KAM的（c）分布图及（d）相应的直方图

Fig. 7. KAM analysis results of Zn samples formed by SLM on different planes. (a) Distribution and (b) corresponding histogram of KAM on vertical direction; (c) distribution and (d) corresponding histogram of KAM on horizontal plane

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3.2　力学性能

进一步测试了SLM 沿水平与垂直平面成形的Zn试样的拉伸性能，如图8所示。其中，图8（a）、（b）所示为试样的应力-应变曲线与加工硬化曲线。加工硬化率（θ）作为一个重要的考虑因素，描述了真实应力随真实应变增加的速率，常被用来分析应变硬化行为：

θ = \frac{d σ_{T}}{d ε_{T}}

，（3）

式中： $σ_{T}$ 为真实应力； $ε_{T}$ 为真实应变。加工硬化率曲线也表现出各向异性，沿水平方向成形的试样（SLM-H）的应变硬化率高于沿垂直方向成形的试样（SLM-V）。此外，沿垂直平面成形的试样的应变硬化率在低应变处急剧下降，然后随着应变的增加而缓慢下降，相比之下，沿水平平面成形的试样的应变硬化率在真实应变达到1.5%左右时缓慢下降。应变硬化速率的差异表明沿水平和垂直平面成形的试样的变形机制存在一定差异。

图 8. SLM成形Zn试样的拉伸性能。（a）应力-应变曲线；（b）应变加工硬化率曲线；（c）极限强度、屈服强度和延伸率；（d）不同Zn试样的力学性能对比

Fig. 8. Tensile properties of Zn samples formed by SLM. (a) Stress-strain curves; (b) strain hardening rate curves; (c) ultimate strength, yield strength, and elongation; (d) comparison of mechanical properties of different Zn samples

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通过量化拉伸性能，可得到沿水平平面成形的试样的屈服强度、极限抗拉强度和延伸率分别为（108.0±0.9） MPa、（123.5±2.1） MPa和（11.7±0.9）%，而沿垂直平面成形的试样的屈服强度、极限抗拉强度和延伸率则分别为（90.2±1.2） MPa、（108.0±2.4） MPa和（14.1±0.7）%［图8（c）］。尽管沿水平平面成形的试样的屈服强度和极限抗拉强度比沿垂直平面成形的试样高出16.5%和12.5%，但延伸率低了17%。以上结果均表明SLM成形Zn的力学性能存在各向异性。这种力学性能的各向异性有多种影响因素：一方面，在拉伸变形时，沿水平平面成形的试样的拉伸轴平行于细小等轴晶的较短晶界，沿垂直平面成形的试样的拉伸轴平行于柱状晶粒较长晶界，因此，沿水平平面成形的试样的有效晶粒尺寸明显小于沿垂直平面成形的试样。根据霍尔-佩奇效应^［25］，晶界强化效果通常与材料的晶粒尺寸成反比，故沿水平平面成形的试样的晶界强化程度高于沿垂直平面成形的试样。分析EBSD结果可知，由于沿水平平面成形的试样的等轴晶晶粒尺寸是沿垂直平面成形的试样的柱状晶晶粒尺寸的2/3，故强度显著增加，但延展性降低。晶体结构为HCP类型，故滑移系统减少，进一步解释了延展性的降低。另一方面，晶界显著影响多晶材料的力学性能，可以有效地抑制变形过程中的位错滑移，高角度晶界使裂纹扩展更加困难，阻止位错通过，从而提高韧性^［26-27］。对于低角度晶界而言，裂纹只需偏转很小的角度就能沿着下一个晶界继续扩展，所以裂纹易扩展，导致材料的延伸率降低。因此，低角度晶界越多，位错密度越高，储存畸变能越多，晶粒的强度越高，塑形韧性越低。沿水平平面成形的试样的有效晶粒尺寸远大于沿垂直平面成形的试样的有效晶粒尺寸，容易引起位错堵塞，所以与沿垂直平面成形的试样相比，沿水平平面成形的试样具有更大的拉伸强度和更高的应变硬化率。

图8（d）比较了本文SLM成形试样、铸造试样^［28-30］、热轧与热挤压试样^［31］和已报道的其他SLM成形纯Zn试样^{［15-18，32-35］}的力学性能，发现SLM成形纯Zn的拉伸性能明显优于大多数其他制造方法加工的纯Zn，SLM成形纯Zn成为生物医学中基于Zn的植入物的候选材料。与传统制造方法加工的锌相比，SLM打印的纯Zn的微观结构有显著差异。与铸造Zn（晶粒尺寸为600 μm^［30］）相比，SLM打印的Zn的晶粒明显更细；并且，SLM打印的纯Zn的平均晶粒尺寸甚至小于挤压和热轧锌（晶粒尺寸分别为20 μm^［36］和40 μm^［37］），如此细小的晶粒尺寸归因于SLM工艺的快速凝固。一般来说，晶粒越小，则金属材料的强度越高。这是由于晶粒变小，晶界面积变大，在相同体积下晶粒数目增多，材料在受力形变时，位错能够分散在更多的晶粒中，故材料不容易破碎，从而材料的力学性能得到增强，这解释了本文沿水平平面成形的试样的拉伸强度最高的原因。而高角度晶界使得沿垂直平面成形的试样具有更强的变形能力，这导致其获得更高的延展性。对比结果表明，SLM沿垂直平面成形的纯Zn试样的延伸率更高。值得注意的是，与之前报道的SLM沿不同平面成形的纯Zn的力学性能相比，本文SLM成形纯Zn试样也展现出优异的极限抗拉强度和延伸率。

SLM沿水平与垂直平面成形的Zn试样的拉伸断口形貌如图9所示。可以看出，SLM沿垂直平面成形的Zn试样的断裂形态由小而深的韧窝组成，韧窝的平均尺寸约为5 μm，表现出典型的韧性断裂模式，如图9（a）、（b）所示。而对于SLM沿水平平面成形的Zn试样，断口形貌相对平坦，可同时观察到韧窝、撕裂脊和解理面，说明断裂模型混合了韧性断裂和解理断裂两种，如图9（c）、（d）所示。对比发现，SLM沿垂直平面成形的Zn试样的断裂形貌显示出更多的韧窝、更少的解离面和更粗糙的断口表面，表明该试样具有更好的塑性变形能力，这也是沿垂直平面成形的试样在构建方向上表现出更高的延展性的原因。结合微观层面分析原因可知，由于SLM沿垂直平面成形的Zn试样的柱状晶粒会沿最大热梯度方向外延生长，故当试样垂直于构建方向加载时，一旦微裂纹沿着柱状晶间界面萌生并生长，它们将沿着晶界扩展，从而在较低塑性下引起断裂。因此，在SLM沿水平平面成形的Zn试样中，可以发现脆性裂纹的扩张。

图 9. SLM 沿水平与垂直平面成形的Zn试样的拉伸断口形貌。（a）（b）垂直方向；（c）（d）水平方向

Fig. 9. Tensile fracture morphologies of Zn samples formed by SLM on horizontal and vertical planes. (a)(b) Vertical plane; (c)(d) horizontal plane

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4　结论

从晶粒形貌和取向等方面研究了SLM沿水平与垂直平面成形的Zn试样的微观结构和力学性能，并讨论了微观结构和各向异性力学性能之间的关系，主要结论如下：

1）在SLM沿垂直平面成形的Zn试样中，可观察到 $〈0001〉$ 方向的强织构柱状晶粒，而在SLM沿水平平面成形的Zn试样中，可观察到 $〈10 \bar{1} 0〉$ 与 $〈11 \bar{2} 0〉$ 方向的弱织构等轴晶粒。SLM沿垂直平面成形的Zn试样的平均晶粒尺寸约为17.24 μm，SLM沿水平平面成形的Zn试样的平均晶粒尺寸为10.21 μm，平均晶粒尺寸减小了40.8%。

2）量化了高低晶界角和初始位错密度分布，其中SLM沿水平平面成形的Zn试样的低角度晶界的体积分数（69.4%）高于SLM沿垂直平面成形的Zn试样（61.6%），前者的平均KAM值（0.84°）大于后者（0.79°），说明SLM沿水平平面成形的Zn试样具有更高的初始位错密度。

3） SLM沿水平与垂直平面成形的试样的力学性能表现出明显的各向异性。SLM沿水平平面成形的试样的屈服强度和极限抗拉强度分别比SLM沿垂直平面成形的试样高7.2%和12.5%，延伸率低17%，SLM沿水平平面成形的试样具有高强度，主要归因于其具有更细的晶粒尺寸和更高的初始位错密度，能够阻碍后期位错运动，而SLM沿垂直平面成形的试样具有强延伸性，主要归因于其具有更多的高角度晶界，能够有效地阻碍裂纹偏转，试样不易过早断裂。

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