《JMST》：抗拉高達(dá)600MPa！線弧增材制造技術(shù)制備超高強度鋁合金

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：利用線弧增材制造(WAAM)技術(shù)制備Al-Zn-Mg-Cu鋁合金近年來取得了一定進(jìn)展。然而，在WAAM中實現(xiàn)超高強度(600 MPa)仍然是一個挑戰(zhàn)。本研究采用自制7B55-Sc填充絲，采用冷金屬轉(zhuǎn)移(CMT)工藝成功制備了超高強度無裂紋Al-Zn-Mg-Cu-Sc薄壁構(gòu)件。T6熱處理和沉積樣品的顯微組織均為細(xì)小等軸晶粒，平均尺寸約為6.0 μm。初生Al3(Sc, Zr)顆粒在凝固過程中扮演非均相核的角色，促進(jìn)等軸晶粒的形成，細(xì)化組織。沉積狀態(tài)下沿晶界形成了大量富含Al、Zn、Mg、Cu元素的連續(xù)共晶組織，晶粒內(nèi)析出的第二相主要為平衡η相、亞穩(wěn) η’相和大尺寸T相。T6熱處理后，原先分布在晶粒內(nèi)和晶界的第二相大部分溶解到Al基體中，時效過程中在晶粒內(nèi)析出了大量細(xì)小的GP區(qū)、相和次生Al3(Sc,Zr)顆粒。T6熱處理后水平方向抗拉強度達(dá)到618 MPa的記錄水平，被認(rèn)為是WAAM制造600 MPa級鋁合金的突破。

增材制造（AM）工藝能夠基于掃描物理對象或使用設(shè)計軟件生成的三維數(shù)據(jù)逐層制造幾何復(fù)雜的零件。線弧增材制造（WAAM）作為AM的成員，是一項創(chuàng)新技術(shù)，它利用電弧作為熱源，沿著計劃的路徑逐層熔化和沉積填充焊絲。與傳統(tǒng)的制造工藝相比，例如等減制造方法，具有加工工藝復(fù)雜，制造靈活性差，材料利用率低，生產(chǎn)周期長等減制造方法，WAAM由于材料利用率高和結(jié)構(gòu)靈活性高，非常適合生產(chǎn)大型近凈形金屬部件。

近年來，許多研究人員和科學(xué)家開始應(yīng)用WAAM技術(shù)制造各種鋁合金，例如Al-Mg合金，Al-Cu合金和具有良好焊接性的Al-Si合金。隨著航空航天工業(yè)需求的不斷增加，對WAAM鋁合金的強度要求越來越高。上述常規(guī)鋁合金不能滿足超高強度的要求。因此，許多研究人員正在關(guān)注WAAM Al-Zn-Mg-Cu鋁合金部件的可行性，因為它們具有極高的比強度。到目前為止，WAAM生產(chǎn)的Al-Zn-Mg-Cu鋁合金已經(jīng)以兩種方式之一下降：第一種方法是添加多根電線作為原料。研究人員人通過使用鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）系統(tǒng)將ER2319、ER5356和Zn填充焊絲同步送入熔池，從而制造了Al-6.6Zn-2.6Mg-2.6Cu鋁合金部件。液化裂紋發(fā)生在距底部40-60 mm處，沉積了40多層。隨著沉積高度的增加，內(nèi)應(yīng)力增大，導(dǎo)致宏觀裂紋的形成。在研究人員進(jìn)行的另一項類似研究中， 沉積組分的微觀結(jié)構(gòu)主要由具有多個孔隙和微裂紋的柱狀晶粒組成， 測得的水平和垂直拉伸強度分別為241 MPa和160 MPa，表現(xiàn)出典型的各向異性。從以上文獻(xiàn)可以看出，由于化學(xué)成分不當(dāng)和微觀結(jié)構(gòu)不均勻，添加多根線作為原料不適合WAAM Al-Zn-Mg-Cu鋁合金，這使得制造的結(jié)構(gòu)部件極易受到熱裂紋的影響，并且機(jī)械性能會受到負(fù)面影響。

避免WAAM鋁合金上述缺陷的有效方法是直接利用商用或自行制備的鋁合金線材作為原料�？蒲腥藛T研究了GTAW系統(tǒng)制造的7055鋁合金的顯微組織和力學(xué)性能，使用商用7055鋁填充絲，其中微觀結(jié)構(gòu)仍由粗柱狀晶粒組成，由于孔隙率過大和連續(xù)的第二相，在水平方向上的抗拉強度僅達(dá)到230.7 MPa。研究人員也利用商用7055線材作為原料，但通過熱線WAAM技術(shù)減少了熱量輸入，以生產(chǎn)具有主要由大等軸晶粒和少數(shù)柱狀晶粒組成的微觀結(jié)構(gòu)的無裂紋組件。經(jīng)過三段式固溶和時效熱處理，抗拉強度達(dá)到563 MPa。研究人員通過改性Al-Zn-Mg-Cu鋁合金（Al-3.6Zn-5.9Mg-0.3Cu）的成分制備了填充絲，并使用冷金屬轉(zhuǎn)移（CMT）技術(shù)生產(chǎn)了無裂紋組件。經(jīng)過兩段式時效處理，抗拉強度達(dá)到477 MPa。隨后，他們開發(fā)了另一種Al-5.5Zn-Mg-Cu（ML7075）線材，并通過CMT技術(shù)生產(chǎn)了無裂紋WAAM薄壁組件。T6熱處理后，抗拉強度達(dá)到558 MPa。盡管上述研究成果在強度上不斷取得突破，但根據(jù)AMS4206C航空航天材料規(guī)范，目前實現(xiàn)的強度仍無法滿足應(yīng)用于某些航空航天結(jié)構(gòu)件（抗拉強度>614MPa）的超高強度Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的要求。因此，進(jìn)一步提高WAAM中Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的力學(xué)性能仍然是非常需要的。

澳大利亞伍倫貢大學(xué)李會軍教授研究團(tuán)隊在這項研究中通過優(yōu)化Al-Zn-Mg-Cu合金元素的組成，在冶煉過程中加入適量的孕育劑Sc和Zr元素，優(yōu)化冶煉工藝，改善填充絲表面光潔度，為WAAM研制了一種超高強度、優(yōu)異的耐熱裂性和低孔隙率的新型Al-Zn-Mg-Cu-Sc鋁合金填充絲7B55-Sc鋁合金填充絲。使用7B55-Sc線材作為原料，通過CMT工藝制備了沒有任何裂紋的單程多層薄壁組件。系統(tǒng)研究了7B55-Sc樣品在沉積和T6熱處理條件下的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

相關(guān)研究成果以題“Microstructure and mechanical properties of 600 MPa grade ultra-high strength aluminum alloy fabricated by wire-arc additive manufacturing”發(fā)表在國際期刊Journal of Materials Science & Technology上。  

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1005030223000488   

圖1 （a）7B55-SC盤繞線、（b）WAAM系統(tǒng)和 （c） 制造的單程多層薄壁組件的插圖。

圖2樣品提取示意圖：（a）樣品提取的位置，（b）拉伸試樣的尺寸。

圖3 沉積和T6熱處理的7B55-Sc樣品不同橫截面的OM圖像：（a，b）沉積條件下的YOZ和XOZ橫截面，（c，d）T6熱處理條件下的YOZ和XOZ橫截面。

圖4 沉積和 T6 熱處理 7B55-Sc 樣品的 EBSD 結(jié)果：EBSD IPF 映射、晶粒尺寸分布、取向角分布以及 （a、b、c、d） 沉積樣品和 （e、f、g、h） T6 熱處理樣品的極圖。

圖5 沉積和T6熱處理的7B55-Sc樣品的BSE圖像和點掃描結(jié)果：（a）沉積條件，（b）T6熱處理條件。

圖6 沉積和T6熱處理的7B55-Sc樣品的XRD圖譜。

圖7 在沉積的7B55-Sc樣品的晶粒內(nèi)沉淀的不同第二相的STEM結(jié)果：（a）晶粒內(nèi)沉積的7B55-Sc樣品的STEM圖像，（b）HAADF-STEM圖像和EDS圖譜η’相位，（c，d）區(qū)域A和FFT的放大倍率視圖η’相位，（e）HAADF-STEM圖像和EDS地圖ηMg(Zn,Cu,Al)2相位和T相位，（f，g）區(qū)域B和FFT的放大倍率ηMg(Zn,Cu,Al)2視圖相位，（h，i）區(qū)域C和FFT的放大倍率T視圖階段。

圖8 在T6熱處理的7B55-Sc樣品的晶粒中沉淀的不同第二相的STEM結(jié)果：（a）晶粒內(nèi)T6熱處理的7B55-Sc樣品的STEM圖像，（b）HAADF-STEM圖像和EDS圖譜T6熱處理樣品中的相、GP區(qū)和次級Al3（Sc，Zr）相，（c，d）次級Al3（Sc，Zr）相D區(qū)和FFT的放大倍率視圖，（e）次級Al3（Sc，Zr）的核/殼結(jié)構(gòu)。

圖9 7B55-Sc樣品在沉積和T6熱處理條件下的拉伸性能：（a）具有代表性的7B55-Sc樣品在水平和垂直方向上的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及（b）拉伸測試結(jié)果的統(tǒng)計。

圖10 文獻(xiàn)中不同WAAM鋁合金的平均拉伸強度和伸長率的比較。

圖11 沉積和T6熱處理7B55-Sc樣品的斷裂形態(tài)：（a）沉積條件下的水平和（b）垂直斷裂表面，（c）T6熱處理條件下的水平和（d）垂直斷裂表面。   

圖12 WAAM過程中等軸晶粒結(jié)構(gòu)形成機(jī)理示意圖.

本研究采用CMT工藝，利用自制的7B55-Sc填充絲成功制備了超高強度的無裂紋Al-Zn-Mg-Cu-Sc薄壁組分,系統(tǒng)研究了沉積和T6熱處理條件下7B55-Sc樣品的第二相微觀結(jié)構(gòu)析出和力學(xué)性能。結(jié)論可得出如下：

(1)7B55-Sc合金在沉積和T6熱處理條件下的顯微組織均由細(xì)等軸晶粒組成，T6熱處理后晶粒均無粗化傾向。兩種條件下的平均晶粒尺寸約為6.0 μm。

(2)在沉積條件下觀察到的初級Al3（Sc，Zr）顆粒可以作為非均相核，促進(jìn)等軸晶粒的形成，并在凝固過程中細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)。在T6熱處理條件下觀察到的二次Al3（Sc，Zr）顆粒不僅提高了鋁合金的熱穩(wěn)定性，阻礙了晶粒生長，而且起到了沉淀強化的作用。

(3)在沉積條件下，沿晶界析出大量連續(xù)共晶結(jié)構(gòu)，晶粒內(nèi)析出的第二相主要包括：階段相位和 T 相位。T6熱處理后，原本分布在晶粒內(nèi)和沿晶界的第二相大部分溶解到Al基體中，而大量的細(xì)GP區(qū)，在老化過程中，晶粒內(nèi)析出相和二次Al3（Sc，Zr）顆粒，導(dǎo)致強度顯著提高。

(4)T6熱處理后，測得水平方向的平均UTS、YS和伸長率為618±4兆帕，542±6 兆帕和 5.7±0.7%。其出色的抗拉強度成功超過600 MPa，這是迄今為止報道的任何WAAM鋁合金中強度最高的水平。