金属增材制造技术通过逐层沉积策略实现了复杂三维零件的制造[1]、[2]。激光粉末床熔融（L-PBF）作为该领域最具代表性的技术之一，在航空航天、生物医学和汽车行业具有广泛的应用前景[3]、[4]。L-PBF铝合金兼具铸造/锻造铝合金的优点——高强度重量比、优异的耐腐蚀性和低成本，同时克服了传统制造方法的局限性，能够制备出更复杂、更高强度的轻质结构，因此吸引了大量研究关注[5]、[6]。在L-PBF加工中广泛研究的铝合金体系中，Al-Si合金因其良好的可打印性而占据重要地位，其中AlSi10Mg尤为典型[7]、[8]、[9]。
L-PBF工艺特有的极快冷却速率和陡峭的温度梯度促进了AlSi10Mg的非平衡多尺度微观结构的形成[9]、[10]、[11]。根据不同长度尺度上的周期性排列，L-PBF AlSi10Mg的微观结构可分为两个层次：微观尺度的Al-Si胞状结构和宏观尺度的多晶熔池[9]、[12]。这些微观特征使得AlSi10Mg比传统锻造的Al-Si合金具有更高的强度和硬度，但也导致了较低的延展性和明显的强度/延展各向异性[13]。先前的研究通过实验表征和晶体塑性模拟揭示了L-PBF AlSi10Mg各向异性力学行为的微观起源[14]、[15]；Fite[16]和Otani[17]的原位拉伸实验进一步强调了熔池边缘（MPBs）对应变局部化行为的关键影响，突出了其在延展各向异性中的作用。
由于L-PBF工艺本身的特性会导致显著的热应力/残余应力，从而影响零件的尺寸稳定性和服役性能，尤其是疲劳寿命[18]、[19]、[20]，因此制造出的样品和结构不能直接应用于工程领域。常见的残余应力缓解方法包括原位处理（如基材预热）和后处理热处理[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。基材预热可以通过降低温度梯度来减少残余应力，但往往也会加剧强度/延展各向异性。例如，Song[12]的研究表明，使用200°C基材制造的L-PBF AlSi10Mg样品具有粗化的微观结构和降低的基体强度，其强度各向异性是使用35°C基材样品的1.2倍。因此，后处理热处理成为增材制造零件中常用的残余应力缓解方法。
尽管热处理能有效缓解残余应力，但它也会显著改变微观结构，进而影响L-PBF AlSi10Mg的力学性能。Chen[26]发现热处理导致相互连接的硅相网络断裂，从而降低了强度各向异性。Takata[27]通过X射线衍射测量表明，300°C下进行2小时应力消除退火后，硅相的应力从约2.3 GPa（制造态）降至约1.5 GPa，说明硅相的承载能力因网络降解而显著降低。
尽管大量研究[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]证实热处理改变了L-PBF AlSi10Mg的微观结构和力学性能，并减轻了强度各向异性，但其对变形行为和延展各向异性的具体影响及其背后的机制仍需进一步探索。此外，对热处理后L-PBF AlSi10Mg的微观结构-力学性能关联的定量评估也较为缺乏。数值模拟有望解决这一难题。
在数值方法中，晶体塑性有限元方法（CPFEM）是一种揭示多尺度结构-性能关联的强大工具，因为它能够考虑复杂的异质微观结构。近年来，原位测试与CPFEM的结合已成功用于捕捉多种合金的微观尺度应变局部化演变[37]、[38]、[39]、[40]。CPFEM被广泛用于研究增材制造（AM）材料的力学性能[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。例如，Hu[42]通过结合微观尺度拉伸试验和晶体塑性建模，深入分析了L-PBF 316L不锈钢的应变局部化现象；Toursangsaraki[45]指出了晶体织构对AM Inconel 718超合金拉伸强度各向异性的显著影响。尽管取得了这些进展，但针对热处理后L-PBF AlSi10Mg的力学各向异性机制的数值研究仍较为有限，大多数研究仅关注制造态[13]、[15]、[47]。热处理后的层次结构如何影响不同载荷方向下的应变分布仍待探索。因此，需要建立一个能够同时考虑Al-Si两相结构和熔池异质性的真实熔池模型。
本研究旨在阐明热处理后L-PBF AlSi10Mg的力学性能，重点关注熔池尺度上的应变局部化及其对力学各向异性的影响。研究采用了结合实验表征和晶体塑性有限元建模（CPFEM）的多尺度方法。首先进行了系列实验，包括纳米压痕（Al-Si胞状结构尺度力学行为）、宏观尺度拉伸试验（强度和延展性）以及原位高分辨率数字图像相关（HR-DIC）拉伸试验（熔池尺度应变场）。接着构建了微观Al-Si两相结构和宏观多晶熔池结构的代表性体积元素（RVE）模型，并建立了相应的晶体塑性模型。随后，通过计算均质化方法将Al-Si胞状结构的力学行为扩展到熔池层次，并探讨了力学行为与异质熔池结构之间的关联。最终，通过整合CPFEM结果与实验数据，揭示了热处理后L-PBF AlSi10Mg中各向异性受异质结构调控的机制，为增材制造合金的微观结构起源提供了见解。
