層間冷加工和熱處理對增材制造鋁合金中孔隙的影響和孔隙閉合機制

來源：洞察金屬增材制造

眾所周知，航空航天是采用增材制造（AM）這項新技術(shù)的先行者。不過，目前的應(yīng)用主要集中于在地球上制造的二級結(jié)構(gòu)或其它非關(guān)鍵應(yīng)用。在未來的任務(wù)中，預(yù)計將有更多的部件采用AM技術(shù)制造，包括主要結(jié)構(gòu)或其它任務(wù)關(guān)鍵部件，甚至在軌道上生產(chǎn)這些部件。在太空領(lǐng)域，AM在節(jié)約成本和提高性能方面凸顯了巨大的潛力。

鈦合金Ti6Al4V因其高比強度和高抗腐蝕性能而被普遍用于航空航天的高端應(yīng)用。但對于太空應(yīng)用和其它高要求用途，對部件可靠性的要求非常嚴(yán)格，有必要確保一致的機械和物理性能。除了構(gòu)建參數(shù)如激光功率，掃描速率等會對部件的性能造成影響外，原始粉末喂料的化學(xué)成分，氧含量等也是造成打印部件機械性能不一致的可能因素。歐洲宇航局的科研團隊曾報道了高密度夾雜物對Ti6Al4V部件拉伸性能的影響以及粉末喂料中污染物的來源。

實驗方案
所有Ti6Al4V樣品是通過粉床選區(qū)激光熔覆工藝制備。如下圖所示，拉伸試樣有3種取向，分別沿X，111和Z方向。打印后的樣品在真空爐中，670°C下保溫5h，進(jìn)行消除應(yīng)力退火。拉伸樣品的表面經(jīng)過陶瓷顆粒噴射表面處理工序來去除附著在表面的顆粒，以降低表面粗糙度。試樣首先經(jīng)歷了拉伸試驗，然后對其進(jìn)行了斷口表面分析和X射線計算機斷層掃描分析。值得注意的是，拉伸試樣的表面并未進(jìn)行機加工。為了進(jìn)行對比試驗，研究人員采購了兩爐樣品，即第一爐（又被稱為contaminated）和第二爐（又被稱為non-contaminated）樣品。

拉伸試樣的3種取向

拉伸性能
第一爐樣品和第二爐樣品的屈服強度和抗拉強度相當(dāng)，但是第一爐Z取向樣品的強度結(jié)果更加分散，主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)差更大上。此外，第一爐Z取向樣品的斷裂延伸率明顯比第二爐樣品的延伸率低，約為40%。

方框為抗拉強度，黑點為屈服強度，第一爐：contaminated，第二爐：non-contaminated

兩爐樣品的斷裂延伸率，第一爐：contaminated，第二爐：non-contaminated

斷口形貌
第一爐縱向拉伸試樣（Z取向）的斷口呈典型的杯錐形拉伸斷裂面，具有內(nèi)纖維區(qū)，外剪切唇和韌窩。雖然沒有證據(jù)顯示未融合缺陷的存在，但是發(fā)現(xiàn)了具有脆性斷裂形貌的鎢顆粒。因為鎢是硬質(zhì)材料，熔點高，韌性低，所以在拉應(yīng)力作用下，這些顆粒很有可能成為裂紋萌生的地點并會促進(jìn)裂紋擴展。而在第二爐樣品的斷裂表面中并未檢測到鎢顆粒。

第一爐試樣的斷口形貌和鎢夾雜

缺陷
第一爐樣品中，鎢含量的體積分?jǐn)?shù)約為0.03%-0.04%，顆粒的直徑約為27-140微米，Z取向樣品的孔隙度約為0.03%，X和111取向樣品的孔隙度則接近0.3%。微孔的大小在37到250微米之間。與第一爐樣品類似，第二爐樣品中的缺陷濃度約為0.2%，尺寸在40-300微米之間，但夾雜顆粒的濃度可忽略不計。

原始粉末
在使用ICP-OES方法檢測原始粉末的化學(xué)成分時，沒有檢測到鎢元素，這很有可能是因為其檢測能力受限，元素在熔液中被稀釋。但是，X射線計算機斷層掃描和掃描電鏡（如下圖所示）都探測到了高密度的鎢顆粒。這也反過來說明了這兩種方法可以被用來彌補其它常用粉末檢測手段的不足。

在該研究中，鎢夾雜顆粒主要來自于打印設(shè)備引起的交叉污染，因為在打印第一爐樣品之前，在同一打印設(shè)備上使用了鎢粉。在鎢極氬弧焊中，鎢夾雜物是一個眾所周知的問題，通常被認(rèn)為是導(dǎo)致焊接部件失效的一個重要原因。此外，其它性能也可能受到影響，比如耐腐蝕性能和應(yīng)力腐蝕開裂。

用于生產(chǎn)第一爐樣品的粉末，亮灰色顆粒為鎢粉末顆粒

結(jié)論與啟示
對于制造關(guān)鍵的應(yīng)用部件，專家建議每臺AM設(shè)備只使用一種材料。除了檢測粉末的粒度分布，流動性，化學(xué)成分以及形貌之外，在必要的情況下可利用掃描電鏡和CT等先進(jìn)表征手段對粉末中可能出現(xiàn)的微量污染物進(jìn)行檢測。

參考資料：
[1] https://doi.org/10.3390/ma10050522ENDec.2023.117966