華中科大增材頂刊：增材制造高強(qiáng)韌、抗裂紋鋁鋰合金��！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本文報(bào)道了一種專(zhuān)為 LPBF 技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型鋁鋰合金。在鑄件上進(jìn)行激光上釉的方法適用于 LPBF 的近似凝固條件。開(kāi)發(fā)了五種不同 Sc 和 Zr 含量的 Al-Cu-Li 錠，并獲得了優(yōu)化的化學(xué)成分并將其轉(zhuǎn)化為 Al-Cu-Li-Sc-Zr 粉末。這種新開(kāi)發(fā)的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金通過(guò)LPBF成功加工，具有高構(gòu)建率和低Li損失率。這種新型合金顯示出優(yōu)異的拉伸性能，包括屈服強(qiáng)度為 482 ± 1 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為 539±1  MPa，伸長(zhǎng)率為 8.8±0.7%。

近年來(lái)，鋁合金的激光粉末床融合（LPBF）發(fā)展迅速。以前的研究主要集中在最初為傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的鑄造和鍛造鋁合金。LPBF中研究最廣泛的鋁合金是Al-Si鑄造鋁合金，其中AlSi10Mg引起了最大的關(guān)注. 由于凝固范圍窄、收縮率低，這些Al-Si鑄造鋁合金具有良好的LPBF加工性能。對(duì)于汽車(chē)和航空航天工業(yè)中常用的鍛造鋁合金，如 2xxx、5xxx、6xxx 和 7xxx 系列合金，嘗試將這些合金進(jìn)行 LPBF 處理通常會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程中發(fā)生熱裂。

為鑄造和鍛造工藝設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)合金無(wú)法充分利用 LPBF 的高凝固率帶來(lái)的潛在好處。因此，LPBF 鋁合金的研究重點(diǎn)正逐漸從對(duì)成熟的鑄造和鍛造鋁合金的加工嘗試轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)新的鋁合金系統(tǒng)，以適應(yīng) LPBF 過(guò)程中獨(dú)特的熱機(jī)械條件。第一種專(zhuān)門(mén)為 LPBF 設(shè)計(jì)的商用鋁合金可能是Al-4.60Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn，重量百分比。經(jīng)受 LPBF的 Scalmalloy 合金具有細(xì)晶粒和高拉伸性能[的特點(diǎn)。這些商業(yè)合金的 LPBF 加工結(jié)果指出了細(xì)化晶粒以解決開(kāi)裂問(wèn)題的重要性。值得注意的是，包括Sc和Zr在內(nèi)的孕育元素的含量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鑄造和鍛造鋁合金。

為 LPBF 開(kāi)發(fā)合金的主要挑戰(zhàn)是生產(chǎn)具有各種成分的合金粉末的高成本，并且對(duì)這些粉末進(jìn)行的 LPBF 加工實(shí)驗(yàn)非常耗時(shí)。一種常用的方法是將現(xiàn)有的可鍛鋁合金粉末與孕育粉末混合，例如2024+Zr、2024+Ti 、7075+Si和7075+ZrH 2。通過(guò)控制接種粉的用量，方便調(diào)整混合粉的組成. 但Si、Zr和Ti的熔點(diǎn)分別為1414℃、1852℃和1668℃，遠(yuǎn)高于鋁合金的熔點(diǎn)（463℃～671℃）。熔點(diǎn)差異大可能導(dǎo)致混合粉末熔化不均勻。另一種方法是使用 LPBF 機(jī)器的激光熔化具有設(shè)計(jì)成分的鑄錠，以接近 LPBF 的凝固條件。該方法用于評(píng)估Al-Sc-Zr、Al-Er-Zr、Al-Ce、Al-Co和Al-Mn-Sc的顯微組織和開(kāi)裂。

鋁鋰合金由于其密度低、耐腐蝕性好、強(qiáng)度和韌性相結(jié)合，在航空航天工業(yè)中逐漸取代傳統(tǒng)鋁合金。LPBF 為制造輕質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一種有效的方法。因此，將鋁鋰合金應(yīng)用于LPBF對(duì)于進(jìn)一步減輕航空航天結(jié)構(gòu)的重量具有廣闊的應(yīng)用前景。

在此，華中科技大學(xué)朱海紅教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用澆鑄和激光上釉方法來(lái)模擬 LPBF 的凝固條件。開(kāi)發(fā)了五種具有不同 Sc 和 Zr 含量的 Al-Li 合金并將其轉(zhuǎn)化為錠，旨在解決 LPBF 生產(chǎn)的鋁鋰合金的高裂紋敏感性和相對(duì)較高的鋰損失率。新開(kāi)發(fā)的Al-Cu-Li-Sc-Zr合金由LPBF成功生產(chǎn)，兼具高強(qiáng)度和良好的延展性。與傳統(tǒng) 2195 鋁鋰合金的 LPBF 相比，這種新型合金具有更高的構(gòu)建效率并降低了鋰損失率。相關(guān)研究成果以題“Highstrength Al-Li alloy development for laser powder bed fusion”發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860421004097

在這項(xiàng)研究中，應(yīng)用鑄造和激光上釉方法開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)門(mén)用于 LPBF 技術(shù)的新型鋁鋰合金。新開(kāi)發(fā)的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金通過(guò) LPBF 處理進(jìn)行了評(píng)估和驗(yàn)證。當(dāng)用 0.8Sc-0.4Zr 和 1.0Sc-0.5Zr 引入 Al-4Cu-1Li 合金時(shí)，激光區(qū)域不存在裂紋。隨著Sc和Zr含量的增加，激光區(qū)域的晶粒逐漸變細(xì)，并在接種1Sc-0.5Zr時(shí)幾乎完全等軸化。細(xì)化晶粒降低了枝晶間液體的總壓降，因此合金更耐開(kāi)裂。

圖1。(a)Al-Cu-Li-Sc-Zr粉末的掃描電子顯微鏡圖像；(b) Al-Cu-Li-Sc-Zr粉末的粉末粒度分布；(c) LPBF 生產(chǎn)的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金的代表性長(zhǎng)方體樣品和拉伸板。

圖2。從具有不同掃描速度的激光上釉樣品的縱向截面獲得的光學(xué)顯微鏡圖像：（a）Al-4Cu-1.25Li；(b)Al-4Cu-1.25Li-0.4Sc-0.2Zr；(c) Al-4Cu-1.25Li-0.6Sc-0.3Zr；(d) Al-4Cu-1.25Li-0.8Sc-0.4Zr；(e)Al-4Cu-1.25Li-1Sc-0.5Zr。

圖3。從激光玻璃樣品的縱向截面獲得的背散射電子圖像：（a）Al-4Cu-1.25Li；(b)Al-4Cu-1.25Li-0.4Sc-0.2Zr；(c) Al-4Cu-1.25Li-0.6Sc-0.3Zr；(d) Al-4Cu-1.25Li-0.8Sc-0.4Zr；(e)Al-4Cu-1.25Li-1Sc-0.5Zr。右上角的插圖是高倍率的激光玻璃區(qū)域。左下角插圖是高倍放大的鑄造區(qū)域。

圖 4。合金#5 的能量色散光譜儀元素線(xiàn)掃描：(a) 激光玻璃區(qū)域；(b) 鑄造區(qū)域

優(yōu)化后的化學(xué)成分轉(zhuǎn)化為粉末，化學(xué)成分為Al-3.89Cu-1.22Li-0.98Sc-0.43Zr。用優(yōu)化的工藝參數(shù)（激光功率 300  W，掃描速度 1200  mm/s，艙口間距 0.1  mm，層厚 40 μm）制造的樣品達(dá)到了 99.9% 的致密化水平，沒(méi)有裂紋和Li損失率為9%。LPBF 制備的新開(kāi)發(fā)合金樣品的顯微組織由細(xì)小的等軸晶粒和細(xì)小的柱狀晶粒組成，平均等效圓直徑分別為 0.6 μm 和 2.5 μm。

圖 5。從激光玻璃樣品的縱向截面獲得的EBSD 晶界圖：（a）（f）Al-4Cu-1.25Li；(b) Al-4Cu-1.25Li-0.4Sc-0.2Zr；(c) Al-4Cu-1.25Li-0.6Sc-0.3Zr；(d)(g)Al-4Cu-1.25Li-0.8Sc-0.4Zr；(e)(h)Al-4Cu-1.25Li-1Sc-0.5Zr。

圖 6。所有樣品的鑄造區(qū)域和激光玻璃區(qū)域的平均晶粒尺寸：（a）當(dāng)量圓直徑；(b) 擬合橢圓縱橫比。

圖 7。從激光玻璃樣品的縱向截面獲得的EBSD 內(nèi)核平均取向差 (KAM) 圖：(a)Al-4Cu-1.25Li；(b) Al-4Cu-1.25Li-0.4Sc-0.2Zr；(c) Al-4Cu-1.25Li-0.6Sc-0.3Zr；(d)Al-4Cu-1.25Li-0.8Sc-0.4Zr；(e) Al-4Cu-1.25Li-1Sc-0.5Zr。

圖 10。從以不同掃描速度制造的LPBF Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金樣品的縱向截面獲得的光學(xué)顯微鏡圖像：(a) 400  mm/s, (b) 800 mm/s, (c) 1200  mm/s , (d) 1600 毫米/秒。

新開(kāi)發(fā)的合金 LPBF 樣品具有482 ± 1  MPa 的高屈服強(qiáng)度、539 ± 1  MPa 的高極限抗拉強(qiáng)度和 8.8 ± 0.7% 的良好伸長(zhǎng)率。與 2195 合金相比，新開(kāi)發(fā)的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金的 YS 增量主要是由于顯著的晶粒細(xì)化。

圖 13。(a) LPBF 在制造條件下生產(chǎn)的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金和鑄造的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。插圖顯示了拉伸試驗(yàn)后典型的 LPBF 和鑄造拉伸樣品。(b) LPBF 生產(chǎn)的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金樣品的拉伸性能與其他專(zhuān)門(mén)為 LPBF 設(shè)計(jì)的現(xiàn)有鋁合金在制造條件下的拉伸性能相比。

總之，本文成功開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)門(mén)用于 LPBF 的 Al-Cu-Li-Sc-Zr 合金，具有高拉伸性能、高構(gòu)建率和低鋰損失率。未來(lái)將對(duì)這種新型合金的析出行為和熱處理后響應(yīng)進(jìn)行研究。