增材頂刊：激光粉末熔煉快速凝固制備高強(qiáng)度、無(wú)裂紋鋁合金材料！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本文描述了一種系統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)策略，從而開(kāi)發(fā)了用于 L-PBF 的高強(qiáng)度鋁合金。首先，基于參考 Al-Cu-Mg 合金的成分，使用計(jì)算熱力學(xué)工具研究了三種Al-Cu-Mg-Mn-Zr 基合金。隨后，研究了L-PBF 制造的合金的L-PBF 加工行為、微觀結(jié)構(gòu)和伴隨的機(jī)械性能。不同成分的合金在顯微組織上表現(xiàn)出顯著差異：未添加 Zr 的合金顯示出粗大的柱狀顯微組織并出現(xiàn)凝固裂紋，添加低至中等 Zr 的合金（1-1.98  wt%）顯示出混合的柱狀和等軸顯微組織，而具有高Zr添加量 (3.72 wt%) 顯示出完全等軸的微觀結(jié)構(gòu)，伴隨著晶粒尺寸減小至0.7 ± 0.3  μm。所有含有≥ 1.98  wt% Zr 的合金均無(wú)裂紋。設(shè)計(jì)的 Al-4.40Cu-1.51Mg-1.15Mn-3.72Zr (wt%) 合金的屈服強(qiáng)度為 561 ± 24 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為 580 ± 16   MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為 6.0 ±1.3%。目前的工作顯示了在 L-PBF 過(guò)程中發(fā)生的快速凝固的內(nèi)在潛力，用于制造由含有過(guò)渡元素添加劑的超細(xì)晶粒超包晶鋁合金制成的幾何復(fù)雜、高強(qiáng)度輕質(zhì)部件。

基于激光的粉末床融合 (L-PBF) 是一種新興的增材制造 (AM) 技術(shù)，因?yàn)樗�促進(jìn)了制造需要幾何復(fù)雜性、功能集成和先進(jìn)性能的金屬部件的巨大創(chuàng)新。它最大限度地減少了傳統(tǒng)減材制造路線中所需的大量連接和加工步驟的集成。由于航空航天、汽車(chē)和能源領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)度輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的需求不斷增加，因此使用 L-PBF 制造高強(qiáng)度鋁合金（例如 Al-Cu-Mg 基合金）尤其具有吸引力。

L-PBF 工藝的快速冷卻速率(10^3 -10^7 °C/s) 和空間溫度梯度有助于形成不同于傳統(tǒng)鑄造或鍛造合金的獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)。L-PBF的特征包括具有過(guò)飽和相、亞穩(wěn)相、精細(xì)凝固組織和高位錯(cuò)密度的非平衡顯微組織。在 L-PBF 條件下固化的材料中會(huì)發(fā)生廣泛的溶質(zhì)捕獲，導(dǎo)致更高的過(guò)飽和度和減少的溶質(zhì)分離。據(jù)報(bào)道，在通過(guò)激光點(diǎn)熔凝固的 Al-11.5 at%Cu 合金中，Cu 在 Al 中的擴(kuò)展固溶度范圍為 2.3 至11.2 at%，顯著高于 0.9 at% 的平衡固溶度極限.擴(kuò)展的溶解度可以通過(guò)在后熱處理過(guò)程中形成分散良好的納米級(jí)沉淀物，為已建合金提供大量的固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。

然而，L-PBF 工藝的高溫梯度(~10 7 °C/m) 和定向散熱也帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)，例如形成具有強(qiáng)烈形態(tài)和結(jié)晶凝固織構(gòu)的細(xì)長(zhǎng)晶粒，以及凝固過(guò)程中的熱裂紋。在L-PBF 制造的材料中經(jīng)常觀察到由外延生長(zhǎng)產(chǎn)生的大柱狀晶粒，導(dǎo)致不希望的依賴(lài)于取向的物理和機(jī)械性能。高強(qiáng)度 Al-Zn-Mg 、Al-Cu-Mg 、Al-Mg-Si 基合金中的熱裂紋已被廣泛報(bào)道。熱裂紋的形成與高織構(gòu)柱狀顯微組織的形成、高熱機(jī)械應(yīng)力和高應(yīng)變率的發(fā)生密切相關(guān)，這兩者都源于 L-PBF 凝固特征的高冷卻速率和高溫梯度過(guò)程。 細(xì)化晶粒并誘導(dǎo)柱狀到等軸的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變已被證明是消除 L-PBF 加工鋁合金中熱裂紋形成的有效補(bǔ)救措施，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各向同性的機(jī)械性能。通過(guò)摻入過(guò)渡元素如 Zr、Ti、Sc 和 Ta 進(jìn)行孕育已被認(rèn)為是一種有效的鋁基合金晶粒細(xì)化實(shí)踐。

本研究中使用的激光掃描速度相對(duì)較低為 83 mm/s 。提高掃描速度可能會(huì)導(dǎo)致 L-PBF 期間冷卻速度增加，從而導(dǎo)致 Al 基體中元素的過(guò)飽和水平顯著更高，并增強(qiáng)在建成狀態(tài)下的固溶強(qiáng)化和熱處理后的沉淀強(qiáng)化。因此，為了探索 L-PBF 工藝的快速凝固潛力并充分利用源自非平衡微觀結(jié)構(gòu)的有利強(qiáng)化效果，需要進(jìn)一步研究具有更高超包晶成分的孕育鋁合金。

在此，魯汶大學(xué)科研人員設(shè)計(jì)一種具有低熱裂紋敏感性和高強(qiáng)度的Al-Cu-Mg-Mn 基合金。首先，使用基于 CALPHAD 的熱力學(xué)工具設(shè)計(jì)合金成分。添加Cu、Mg、Mn，通過(guò)固溶和二次相強(qiáng)化提高力學(xué)性能，同時(shí)避免熱裂紋的形成。此外，添加不同的 Zr 含量以形成不同含量的初級(jí) Al 3Zr 相用于細(xì)化晶粒、緩解熱裂紋和增強(qiáng)強(qiáng)度，以及形成過(guò)飽和的 Al-Zr 固溶體，用于增強(qiáng)在建成狀態(tài)下的固溶強(qiáng)化和熱處理后的沉淀強(qiáng)化。隨后，進(jìn)行了系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械表征，以評(píng)估 L-PBF 的可加工性和設(shè)計(jì)合金的性能。使用有限元方法進(jìn)行數(shù)值 L-PBF 熔池模擬，以了解 L-PBF 工藝參數(shù)對(duì)熱裂紋敏感性和非平衡微觀結(jié)構(gòu)形成的影響。通過(guò)這種方式將探討L-PBF 在形成非平衡微觀結(jié)構(gòu)和利用其內(nèi)在強(qiáng)化效應(yīng)方面的潛力。相關(guān)研究成果以題“Exploiting therapid solidification potential of Laser Powder Bed Fusion in high strength andcrack-free Al-Cu-Mg-Mn-Zr alloys”發(fā)表在增材頂刊AdditiveManufacturing上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421003717

L-PBF 工藝能夠在Al-Cu-Mg-Mn 基合金中形成獨(dú)特的非平衡微觀結(jié)構(gòu)。在沒(méi)有添加 Zr 的合金 A中，在沒(méi)有成核顆粒的情況下發(fā)生外延生長(zhǎng)和粗柱狀晶粒的形成；在合金 B 和 C 中低至中等成核顆粒水平下，在熔池邊界形成等軸晶粒，在熔池中心形成柱狀晶粒的雙峰顯微組織，添加了 1.00 和 1.98 ％重量的 Zr；在含有 3.72  wt% Zr 的合金 D 中，在大量成核粒子的情況下形成完全等軸的微觀結(jié)構(gòu)。因此，F(xiàn)CC-Al 晶粒尺寸從合金 A 中的58.2 ± 31.9 μm減小到 3.3 ± 2.4、1.3 ± 0.7 和 0.7 ± 0.3 分別在設(shè)計(jì)的 Al-Cu-Mg-Mn-Zr 合金 B、C 和 D 中為 μm。(b) 成品樣品的鋁基體中存在高位錯(cuò)。(c) 在合金 D 的熔池中心檢測(cè)到鋯在鋁中的溶解度高達(dá) 1.3 ± 0.1 wt%。(d) L-PBF 工藝能夠形成亞穩(wěn)定的 Al 3 Zr 相設(shè)計(jì)的 Al-Cu-Mg-Mn-Zr 合金中的立方 L1 2結(jié)構(gòu)，Al 3 Zr 顆粒采用具有樹(shù)枝狀形態(tài)的長(zhǎng)方體形狀或具有明顯凹邊和突出角的“花”形，顯示出合金 B、C 和 D 中的平均 Al 3 Zr 粒徑分別為 46 ± 13、156 ± 42 和442 ± 136  nm。

圖1原料粉末的形態(tài)，如 SEM 所見(jiàn)。如黃色箭頭所示，可以在合金 C 和 D 中檢測(cè)到Al 3 Zr 顆粒。

圖2在 20-40 度 2θ 范圍內(nèi)記錄的 X 射線衍射圖顯示了原料粉末中存在的相。

圖3 L-PBF 過(guò)程中采樣和掃描策略的示意圖，坐標(biāo)系顯示構(gòu)建方向。BD 指的是建筑方向。

圖4(a) 相分?jǐn)?shù)和 (b) 熱裂紋敏感性 (HCS) 指數(shù)，基于 Al-3.91Cu-1.12Mg-xMn 合金的 Kou 標(biāo)準(zhǔn)作為 Mn 含量的函數(shù)。HCS的比較dT/dF秒12具有兩個(gè)固定 Mn 含量作為 Cu 和 Mg 含量的函數(shù)的 Al-Cu-Mg-Mn 四元合金圖。(c) Al-xCu-yMg-0.41Mn,(d) Al-xCu-yMg-1.15Mn (wt%)。(e) 具有不同 Zr 含量的 Al-3.91Cu-1.12Mg-0.41Mn 合金的相變軌跡。(f) 在 Scheil-Gulliver 條件下凝固的四種研究合金的相分?jǐn)?shù)。

圖5作為體積能量密度 (VED) 函數(shù)的竣工樣品的裂紋長(zhǎng)度，具有代表性的光學(xué)顯微照片顯示了樣品橫截面。(a) 合金 A，(b) 合金 B，(c) 合金 C。BD 是指建筑方向。(d) 作為 VED函數(shù)的竣工合金 C 樣品的相對(duì)密度。

圖6以 55  J/mm 3的相同 VED 值制造的竣工樣品的 XCT 重建。裂縫用黑色標(biāo)記，孤立的孔用藍(lán)色標(biāo)記。(a) 合金 A，(b) 合金 B，(c) 合金 C，(d) 合金 D。(e) 作為局部球形孔徑函數(shù)的缺陷（裂紋和孔隙）的總體比例。(f) 作為局部球形孔徑函數(shù)的裂紋分?jǐn)?shù)。

圖 7。BSE 圖像顯示了四種合金的橫截面微觀結(jié)構(gòu)。BD指建筑方向，MPC指熔池中心，MPB指熔池邊界。

圖 8。通過(guò) TKD 和 STEM 在 SEM 中分析合金 D中 Al 3 Zr 顆粒的晶體學(xué)。(a) BF-STEM 圖像具有更高的放大倍數(shù)圖像，顯示了 (b) (c) 花形和 (d) (e) 長(zhǎng)方體形 Al 3 Zr 顆粒的形態(tài)。(b) 和(d) 中的綠色箭頭指向位錯(cuò)。(f) (c) 和 (g) 周?chē)?Al 基質(zhì)中的花形 Al 3 Zr 顆粒的TKD 圖案。(h) (e) 和 (i)周?chē)?Al 基體中長(zhǎng)方體形 Al 3 Zr 顆粒的TKD 圖案。當(dāng)基于 Hough 的算法用于波段檢測(cè)時(shí)，TKD 模式被手動(dòng)索引以防止系統(tǒng)錯(cuò)誤。阿爾3Zr 顆粒（1 和 3）分別用 FCC-Al 和在引入輕微四方性后（c/a = 1.08，對(duì)應(yīng)于 DO 23）進(jìn)行索引。顯示了圖案的放大部分，用于比較匹配精度。隨著超晶格反射，花形和長(zhǎng)方體形顆粒的衍射圖與FCC-Al 的匹配表明L1 2結(jié)構(gòu)。

圖10 四種合金的逆極圖晶粒取向映射和相應(yīng)的晶粒尺寸分布以及極圖。請(qǐng)注意不同晶粒取向圖像中存在的不同比例尺。

在竣工條件下，由于存在熱裂紋，合金 A 和合金 B 表現(xiàn)出極差的拉伸性能。由于消除了熱裂紋的形成、顯著細(xì)化的顯微組織、增強(qiáng)的固溶強(qiáng)化和顆粒強(qiáng)化，Al-Cu-Mg-Mn 基合金 C 和D 顯示出顯著改善的拉伸性能。機(jī)械性能隨著 Zr 含量的增加而持續(xù)增加。合金 C 和合金 D 都顯示出明顯的屈服點(diǎn)現(xiàn)象，顯示出特征下降到幾乎恒定的應(yīng)力，在上屈服點(diǎn)之后，它們的拉伸應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線中出現(xiàn)一些流動(dòng)鋸齒。最高工程彈性模量（80±4  GPa）、屈服強(qiáng)度（561±24  MPa）、極限抗拉強(qiáng)度（580±16MPa) 和斷裂伸長(zhǎng)率 (6.0 ± 1.3%) 的合金 D。這種性能組合優(yōu)于在 T62 和 T861 條件下常規(guī)制造的鍛造 2024 合金和 L-PBF 處理的Al-Zn-Mg 基合金。在未來(lái)的工作中將探索采用合適的熱處理來(lái)避免塑性變形不穩(wěn)定性并提高竣工合金的應(yīng)變硬化能力。

圖11(a) 不同成分的合金的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 本合金 C 和 D 與鍛造 2024 [50]、7075-T6合金[54]和 Al-Si(Mg) [9]、[55]、[56 ]拉伸性能的比較] ,Al-Zn-Mg [27] , [51] , [52] , [53] , Al-Cu-Mg [35] , [36]和其他鋁基合金[15] , [16] , [57]由 L-PBF 制造。請(qǐng)注意，使用的拉伸試樣尺寸和施加的應(yīng)變率可能因不同來(lái)源而異。(cf) 分別為合金 A、合金 B、合金 C 和合金 D 的斷裂形貌。(e) 和 (f) 中插入的高倍放大圖像顯示了酒窩。