哈爾濱工業(yè)大學(xué)增材制造頂刊《AM》：研究激光粉末增材制造鋁鋰合金的熱裂行為！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：采用激光粉末床熔融（LPBF）打印鋁鋰合金具有巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力。然而，由于鋰的添加而導(dǎo)致的高熱裂敏感性（HCS），其仍然是制約其快速向此類工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文通過(guò)三維 (3D) X 射線顯微斷層掃描技術(shù)研究了 LPBF 工藝制造的 2195 Al-Li 合金的熱裂行為。結(jié)果顯示，打印樣品中具有 3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大且相互連接的裂縫，從之前的單個(gè)軌道中的層狀裂縫沿構(gòu)筑方向逐層延伸。Al 6CuLi3之間的偏析導(dǎo)致Al-Cu共晶沿大角晶界形成晶間液膜。此外，發(fā)現(xiàn)2之間的界面層（枝晶內(nèi)液膜）Cu和相鄰的LiAlSi或AlCuMgAg在晶粒內(nèi)部表現(xiàn)出降低的抗微裂紋性。此外，高的內(nèi)部殘余拉應(yīng)力為裂紋的萌生和擴(kuò)展提供了驅(qū)動(dòng)力。

增材制造(AM) 是一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀高性能金屬零件的三維 (3D) 近凈形成型的方法，推動(dòng)了基于3D打印的下一次工業(yè)革命。與傳統(tǒng)的減材制造相反，增材制造采用逐步逐層的材料加工策略。它允許將模型切片從復(fù)雜的 3D 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的 2D 幾何圖形。激光粉末床融合(LPBF) 是一種典型的基于粉末的增材制造方法。Al-Li 合金比傳統(tǒng)的 2xxx 或 7xxx 系列鋁合金更受歡迎，因?yàn)樗鼈兙哂械兔芏取⒏邚椥阅Ａ�、高�?qiáng)度重量比、高損傷容限和耐腐蝕性。此外，可以引入 Cu 和 Mg 以形成 Al-Cu-Li 合金，這有助于優(yōu)化析出順序，或者通過(guò)與 Li 結(jié)合生成強(qiáng)化相，例如 T 1 (Al 2 CuLi) 和 T 2 (Al 6 CuLi 3 )，或通過(guò)改變?nèi)芙舛�。然而，添�?Li 和 Cu 也顯著增加了熱裂敏感性(HCS) 的鋁鋰合金。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要障礙可能是鋁鋰合金在 LPBF過(guò)程中復(fù)雜的非平衡凝固過(guò)程。在這項(xiàng)工作中表明，Al-Li 合金的最終沉淀順序直接影響打印樣品的熱裂行為和機(jī)械性能。然而，關(guān)于鋁鋰合金的LPBF加工的研究很少。通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)優(yōu)化激光加工性能是制造無(wú)裂紋鋁鋰組件的重要一步。

一般來(lái)說(shuō)，熱裂的貢獻(xiàn)主要來(lái)自兩個(gè)來(lái)源：液膜和應(yīng)力集中。穩(wěn)定的液膜是必不可少的先決條件，而應(yīng)力集中是引發(fā)裂紋并使其擴(kuò)展的觸發(fā)因素，最終導(dǎo)致災(zāi)難性故障。需要考慮的最重要因素之一可能是由于鋰的添加而導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)沉淀順序的變化，這直接影響了液膜的分布和穩(wěn)定性。因此，建立微觀結(jié)構(gòu)演化、液膜穩(wěn)定性和殘余應(yīng)力分布之間的關(guān)系是揭示熱裂機(jī)理的關(guān)鍵。在鋁鋰合金的LPBF過(guò)程中。因此，直流溫度噸br對(duì)于排斥邊界，取決于如圖 12a 所示的錯(cuò)誤取向角θ，其中參考值噸b一種對(duì)于 2195 Al-Li 合金，定義為 759 K。最低直流溫度噸b,分鐘r和最大直流過(guò)冷度Δ噸b,最大限度分別計(jì)算為 562 K 和 197 K。

哈爾濱工業(yè)大學(xué) ZhenglongLei結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算來(lái)闡明LPBF 處理的 2195 鋁鋰合金的熱裂機(jī)理。全面討論了裂紋萌生、擴(kuò)展和停止的動(dòng)態(tài)熱裂紋演化過(guò)程，對(duì)指導(dǎo)工藝優(yōu)化具有重要意義。在打印鋁鋰樣品中捕獲了具有 3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶間裂紋。網(wǎng)狀裂紋由單道層狀裂紋逐層擴(kuò)展。由偏析產(chǎn)生的Al-Cu共晶有助于形成晶間液膜。晶間熱裂敏感性高于晶粒內(nèi)部。在應(yīng)力集中作用下液膜撕裂是裂紋萌生的主要原因。相關(guān)研究成果以題“”

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圖 1。粉末形態(tài)和尺寸分布：（a）放大 400 倍的SEM圖像和（b）粉末尺寸分布。

圖 2。LPBF平臺(tái)示意圖：（a）實(shí)驗(yàn)程序和（b）棋盤掃描策略。

圖 3。模擬中使用的計(jì)算域和網(wǎng)格圖示：(a) 3D有限元模型（側(cè)視圖）；(b) 模型的頂視圖，顯示LPBF過(guò)程中的掃描策略。

通過(guò)高通量測(cè)試獲得的參數(shù)優(yōu)化圖如圖 4所示，其中繪制了所有嘗試組合的每個(gè)單道掃描的激光功率 (Watts) 與掃描速度 (mm/s) 的關(guān)系。如圖 5 所示。隨著VED的增加，相對(duì)密度先增加后趨于穩(wěn)定。在 129.63 J/mm 3的低 VED 下，許多由粉末熔化不足和液相擴(kuò)散不足引起的孔缺陷和裂紋如圖 5 所示。a，導(dǎo)致 92.73% 的低密度。隨著能量輸入的增加，孔隙缺陷和裂紋消失。

圖 4。單軌掃描工藝參數(shù)窗口的優(yōu)化：（a）-（d）典型單軌樣品的表面形貌，（e）從高通量單軌掃描獲得的參數(shù)優(yōu)化圖。

圖 5。致密化分析：(a) - (d) 典型橫截面OM 圖像和 (e)能量密度對(duì)相對(duì)密度的影響。

圖 6。立方樣品的SEM圖像：(a) - (c) 逐漸放大的微觀結(jié)構(gòu) BSE 視圖。

圖 7。XRD 圖案：(a) 粉末和印刷樣品，(b) 區(qū)域 b 的放大圖，和 (c) 區(qū)域 c 的放大圖。

圖 8。準(zhǔn)晶 T 2相的相鑒定：(a)粗 GB 相呈網(wǎng)絡(luò)分布的BSE顯微照片，(b) EDS 結(jié)果，(c) 準(zhǔn)晶相的 TEM 形態(tài)，(d)具有a典型的五重對(duì)稱，和（e） HRTEM圖像。

圖 9。使用 TEM 進(jìn)行元素分布和相識(shí)別：(a) TEM 明場(chǎng)顯微照片，(bf) Al、Cu、Si、Ag 和 Mg 的 EDS 映射，(g) (a)、(h、i) 相應(yīng)SAD的放大圖像區(qū)域 A 和 B 的圖案，(j) δ ′ /β ′ 的形態(tài)，(k) 相應(yīng)的 δ ′ /β ′ 的 SAD 圖案，以及 (l) 沿<100 >區(qū)域軸的標(biāo)準(zhǔn)衍射圖案。

圖 10。LPBF處理樣品的熱裂行為：（a）整個(gè)試樣的典型XRM切片，（b）孔隙和裂紋的宏觀分布，（c，d）網(wǎng)狀大互連裂紋的3D圖像，（e，f）沿GBs的典型初始沿晶表面斷裂，和（g）晶粒內(nèi)的條紋狀界面微裂紋。

圖 11。EBSD結(jié)果分析了 LPBF 處理的鋁鋰合金縱向截面上的 GBs：(a) IPF 圖像，(b) HAGBs 和 LAGBs 的 GB 分布圖，(c) 顯示應(yīng)變濃度的KAM圖，(d) 晶粒尺寸分布，(e) 沿裂紋擴(kuò)展路徑的方向錯(cuò)誤角和 (f) 方向錯(cuò)誤角分布。

圖 12。取向差角對(duì)枝晶聚結(jié)溫度和GB能量的影響。(a) GB 角與聚結(jié)溫度的關(guān)系，(b) GB 角與 GB 能量的關(guān)系。

圖 13。Al-Li 和 AlSi10Mg 合金凝固曲線的對(duì)比分析：(a) 凝固溫度范圍，(b) (a) 凝固最后階段的放大圖像。

圖 14。P  = 200 W 和v = 100 mm/s 時(shí)LPBF中溫度和應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果：(a) 溫度場(chǎng)，(b) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，(c) P1 處計(jì)算的 X 分量熱應(yīng)力，以及 (d) X 分量殘余應(yīng)力分布。

圖 15。結(jié)晶和元素相互擴(kuò)散過(guò)程的示意圖：（a）液相中的α- Al成核，（b）T相成核，（c）MgAgCuSi簇，Ω相，θ′-相枝晶內(nèi)成核和T 2 -相晶間形核，(d) 離異共晶形成和晶間裂紋萌生，(e) - (h) 突出了涉及最復(fù)雜情況與時(shí)間的枝晶內(nèi)沉淀演化順序。需要注意的是，枝晶內(nèi)微裂紋的放大圖像如（h）所示，其趨向于發(fā)生在枝晶內(nèi)低熔點(diǎn)共晶區(qū)。

圖 16。裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程示意圖：(a)在拉應(yīng)力作用下，由于液膜撕裂引起裂紋萌生，(b)裂紋沿 GBs 擴(kuò)展，(c) 裂紋擴(kuò)展至 FGZ 或連續(xù)裂紋時(shí)的裂紋停止裂紋在枝晶生長(zhǎng)方向上擴(kuò)展，以及 (d) 裂紋趨于匯聚在一起，導(dǎo)致具有 3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大互連裂紋。

結(jié)論

(1)由于逐層處理策略，在打印的鋁鋰合金樣品中遇到了具有 3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大互連裂紋，這些裂紋從之前的單軌道中的層狀裂紋沿構(gòu)建方向延伸。相互連接的析出物通過(guò)晶間裂紋溶解出來(lái)，導(dǎo)致裂紋路徑更加復(fù)雜和規(guī)則，與晶粒內(nèi)部相比，裂紋擴(kuò)展阻力顯著降低。
(2)LPBF 處理的鋁鋰合金表現(xiàn)出很強(qiáng)的HCS，尤其是在 HAGB 中，這歸因于穩(wěn)定的液膜和某些應(yīng)力集中的存在。T 2相和α-Al基體之間的界面偏析促進(jìn)了沿GBs（晶間液膜）形成Al-Cu共晶。θ′ 相與相鄰的 T 相或 Ω 相（枝晶內(nèi)液膜）之間的界面層可能在晶粒內(nèi)部存在缺陷。
(3)聚結(jié)過(guò)冷∆噸bHAGBs的（15.6°）（155.5 K）遠(yuǎn)大于易損區(qū)的溫度范圍（59.7 K），這表明與晶粒內(nèi)部相比，晶間區(qū)域的液膜穩(wěn)定性和HCS更高。
(4)計(jì)算得到的 208.0 MPa 的殘余拉伸應(yīng)力表明打印樣品內(nèi)的內(nèi)部殘余應(yīng)力水平很高，這構(gòu)成了裂紋萌生和擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力。
(5)通過(guò)預(yù)熱基板和降低掃描速度獲得無(wú)裂紋樣品，有利于降低溫度梯度，延長(zhǎng)熔池壽命，防止熱裂紋。