西安交大盧秉恒院士增材制造頂刊《AM》：增材制造新型高性能鈦纖維增強(qiáng)5xxx鋁合金

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：5xxx鋁合金由于其良好的焊接性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在不同的工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，它們的那些強(qiáng)度低于2xxx和7xxx的同類產(chǎn)品，限制了它們?cè)诟叱兄貤l件下的應(yīng)用。為了提高增材Al5183鋁合金的力學(xué)性能，本工作首次采用雙絲進(jìn)給系統(tǒng)的線基定向能量沉積-電弧制造(DED-arc)方法制備了鈦纖維增強(qiáng)鋁(TFRA)構(gòu)件。通過嚴(yán)格控制進(jìn)給路徑和電弧熱輸入，使增強(qiáng)鈦纖維保持固態(tài)。鈦合金絲與鋁合金基體界面厚度約為3 ~ 10 μ m，化學(xué)成分呈梯度轉(zhuǎn)變，無明顯開裂傾向。結(jié)果表明，與非纖維增強(qiáng)鋁構(gòu)件相比，添加10.5%體積分?jǐn)?shù)的鈦纖維，TFRA構(gòu)件的屈服率和抗拉強(qiáng)度分別提高了124%和33%。同時(shí)，沖擊能量從原來的7.9 ~ 18.0 J提高了128%，通過混合律理論對(duì)強(qiáng)度的增加進(jìn)行了分析，并通過有限元模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。TFRA構(gòu)件沖擊性能的提高是由于鈦纖維阻斷了鋁基體中的裂紋擴(kuò)展。因此，本工作為利用電弧制備連續(xù)纖維高強(qiáng)度鋁合金提供了一種有前景的方法。

鋁合金由于其重量輕、易于成型和加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天和機(jī)械等不同領(lǐng)域。其中5xxx系列鋁合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性和可焊性等特點(diǎn)。然而，它們的抗拉強(qiáng)度仍然不如2xxx系列和7xxx系列鋁合金，限制了它們?cè)诟叱兄貤l件下的應(yīng)用。通常采用熱處理來提高材料的機(jī)械強(qiáng)度，但在實(shí)際應(yīng)用中，5系鋁合金很難通過熱處理來強(qiáng)化，因?yàn)闊崽幚頃?huì)導(dǎo)致材料的伸長率急劇下降，從而影響材料的整體力學(xué)性能。

微量合金元素的加入也有助于改善材料的力學(xué)性能。在Al5183焊絲材料中加入合金微量元素Zr和Er，使其抗拉強(qiáng)度提高了40 MPa，有效地促進(jìn)了精細(xì)化Al3Er、Al3Zr和Al3(Zr, Er)相的形成。在5xxx鋁合金中加入Sc并進(jìn)行回火熱處理，也可獲得很好的強(qiáng)化效果和較高的屈服強(qiáng)度。已有研究表明，在鋁合金中加入Sc可以顯著提高鋁合金的抗拉強(qiáng)度，從301 MPa提高到377 MPa。然而，稀土元素Sc的高成本(每0.1%的Sc含量增加約3美元/公斤的成本)，阻礙了Sc作為合金添加劑在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。此外，Al3Sc顆粒難以在熔池內(nèi)均勻分布。近年來一些開創(chuàng)性的研究報(bào)道了Al3Sc通常在熔池邊界附近積累，因此還需要熱處理來進(jìn)一步調(diào)節(jié)顯微組織。因此，迫切需要開發(fā)一種低成本、工藝簡單、易于實(shí)施的提高5xxx鋁合金強(qiáng)度的替代技術(shù)。通過在鋁基合金中加入纖維或顆粒形成金屬基復(fù)合材料，也是提高材料力學(xué)性能的重要方法。連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基體可以顯著提高材料沿纖維方向的強(qiáng)度，但主要可以通過擠壓鑄造工藝制備簡單成型件。引入強(qiáng)化劑SiC、陶瓷顆粒、碳納米管和碳化物顆粒也是一種有效的方法。但上述結(jié)果表明，鋁合金的硬度和強(qiáng)度可以明顯提高，但塑性和韌性降低。因此尋找新的方法來同時(shí)提高強(qiáng)度和延性需要提上日程。

增材制造技術(shù)具有較高的靈活性，這為提高材料性能提供了一種新的途徑。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)提高增材制造鋁合金的材料強(qiáng)度進(jìn)行了大量研究�；�于激光的增材制造如粉末床熔合和定向能量沉積，已成為近年來的重要研究課題。然而，激光在鋁合金上的高反射率導(dǎo)致吸收效率低，過程不穩(wěn)定。因此，大多數(shù)不可焊接的高強(qiáng)度鋁合金，如2xxx和7xxx系列鋁合金，在激光增材制造過程中容易出現(xiàn)裂紋缺陷。定向能沉積電弧制造技術(shù)(DED-arc)作為一種新興技術(shù)，因其成形效率高、成本低而可應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。這種先進(jìn)的技術(shù)引起了極大的關(guān)注，促進(jìn)了其快速發(fā)展，尤其是鋁合金。5xxx系列鋁合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性和可焊性等特點(diǎn)，使其適合于DED-arc的候選材料。特別是基于冷金屬轉(zhuǎn)移(CMT)的DED-arc由于其高沉積速率、低熱輸入和有限的濺射而引起了人們的極大興趣。然而，DED-arc技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，如強(qiáng)度較差，這主要是由于存在等孔隙缺陷。因此，許多研究人員將重點(diǎn)放在降低孔隙率上，如采用工藝優(yōu)化和輔助工藝。結(jié)果表明，經(jīng)層間軋制[33]可顯著改善DED-arc制備的鋁合金構(gòu)件的性能。通過添加層間錘擊輔助手段，減少了氣孔缺陷。研究表明，通過減少孔隙率等缺陷，可以達(dá)到提高機(jī)械強(qiáng)度的有利效果。通過工藝優(yōu)化或?qū)娱g變形，DED-arc制備的材料機(jī)械強(qiáng)度基本能滿足板材的標(biāo)準(zhǔn)要求，但難以獲得更優(yōu)越的性能。

在此，西安交通大學(xué)、方學(xué)偉團(tuán)隊(duì)采用基于CMT的絲弧增材制造技術(shù)制備了鈦纖維增強(qiáng)鋁合金(TFRA)構(gòu)件,對(duì)TFRA構(gòu)件的拉伸和沖擊性能進(jìn)行了表征，并與非增強(qiáng)構(gòu)件進(jìn)行了對(duì)比分析。采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)鋁基體和鈦纖維增強(qiáng)體的微觀結(jié)構(gòu)及界面進(jìn)行了詳細(xì)研究。最后，利用掃描電鏡進(jìn)行了斷口形貌分析，并對(duì)TFRA組分的強(qiáng)化增韌機(jī)理進(jìn)行了評(píng)價(jià)。相關(guān)研究成果以題“Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy”發(fā)表在Additive Manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860423000581

圖1 (a)電弧雙絲纖維增強(qiáng)添加劑工藝原理示意圖;(b)電弧雙線纖維增強(qiáng)添加劑裝置實(shí)物圖;(c)火炬振蕩模式示意圖;(d) TFRA組件中Al5183和Ti64光纖的x射線測試結(jié)果。

圖2  TFRA取樣示意圖。

(a)TFRA沉積體;(b)沖擊樣本;(c)金相樣品;(d)拉伸樣品;(e)密度試驗(yàn)樣品。

圖片

有限元模型和邊界條件。

圖4  金相組織機(jī)理圖。

(a)宏觀形貌;(b)纖維增強(qiáng)鈦合金絲材與鋁合金基板的圍合形態(tài);(c)線材中晶粒微觀結(jié)構(gòu)差異示意圖。

圖5 線材上、中、下位置界面SEM、EDS圖。

(a)、(d)、(g)分別為線材與鋁合金基板的上、右、下側(cè)界面，無裂紋或未熔透缺陷。圖5(b)、(e)、(h)分別為局部放大的上、中、下區(qū)域細(xì)節(jié);圖5(c)、(f)、(i)為各區(qū)域元素組成的線掃描圖。

圖6 原始Ti64的IPF圖像，如建成的Al5183鋁合金和TFRA

(a)原裝Ti64線;(b) Al5183鋁合金沉積;(c) TFRA沉積上部(I區(qū)+部分II區(qū));(d) TFRA沉積下部(第II區(qū));(e) TFRA沉積上部I區(qū)部分界面面積;(f) TFRA下部第II區(qū)部分界面區(qū)。

圖7 鋁合金上下區(qū)域極坐標(biāo)圖

(a)鋁合金上半部，(b)鋁合金下半部。

圖8 Ti64合金的極性圖。

(a)粗電線;(b)鈦合金絲I區(qū);(c)鈦合金絲中的II區(qū)。

圖9 (a) Ti64、Al5183沉積和鋼絲添加劑TFRA的拉伸(應(yīng)力-應(yīng)變)曲線;(b) 5系鋁合金電弧焊或絲材添加劑的拉伸性能。

圖10 (a)擺錘對(duì)Al5183和TFRA的沖擊結(jié)果圖;(b) TFRA在撞擊過程中的示意圖。

圖11 (a) TFRA拉伸試樣斷口形貌;(b)鋁合金基體斷口形貌;(c)鈦合金絲材的邊緣過渡區(qū);(d)鈦合金絲纖維區(qū)-輻射區(qū)形態(tài);(e)鈦合金絲纖維帶形態(tài);(f)鈦合金絲輻射區(qū)的形態(tài)。

圖12  TFRA試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果的形貌。

(a)沖擊試樣的斷裂形態(tài);(b)斷絲的斷口形態(tài);(c)對(duì)應(yīng)的成分掃描分布;(d) Ti分布;(e) Al分布;(f) V分布;(g) Mg分布。

圖13所示。拉伸試驗(yàn)得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

綜上所述，本文利用CMT - DED -電弧成功制備了鈦合金纖維增強(qiáng)鋁合金(TFRA)壁狀構(gòu)件，并顯著提高了構(gòu)件的強(qiáng)度和沖擊韌性。根據(jù)本研究的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:
1）采用CMT - DED -電弧雙絲進(jìn)給系統(tǒng)制備了穩(wěn)定、均勻的鈦纖維增強(qiáng)鋁合金構(gòu)件。通過控制鈦合金絲的進(jìn)給路徑和沉積過程中的電弧熱輸入，使鈦合金絲保持固態(tài)。
2）鈦合金絲與鋁合金基體界面厚度約為3 ~ 10 μ m，化學(xué)成分呈梯度轉(zhuǎn)變，無明顯開裂傾向。振蕩模式避免了CMT - DED -電弧過程中產(chǎn)生較厚的脆性金屬間相。
3)與未增強(qiáng)的DED-弧鋁構(gòu)件相比，添加10.5%體積分?jǐn)?shù)的鈦纖維后，TFRA構(gòu)件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和比強(qiáng)度分別提高了124%、33%和25%。同時(shí)，其延伸率保持在20%左右，與鋁合金構(gòu)件板的延伸率一致�；旌隙�律理論和有限元分析驗(yàn)證了材料性能的改善主要是由于鈦增強(qiáng)纖維的引入。
4）與未加固構(gòu)件相比，TFRA構(gòu)件的沖擊能提高了128%。這是因?yàn)殇X基體的裂紋擴(kuò)展被鈦纖維阻斷，沖擊過程中吸收了大量的沖擊能量。