北航《JMST》：新型電弧增材鋁合金強(qiáng)韌化策略！激光沖擊強(qiáng)化與熱處理復(fù)合制造

來源：材料科學(xué)與工程

電弧定向能量沉積（Wire arc-directed energy deposition，WADED，又稱電弧增材制造）技術(shù)適用于大尺寸、中低復(fù)雜程度金屬零件一體化快速制造。不可熱處理強(qiáng)化Al-Mg合金是航空航天、軌道交通和船舶制造領(lǐng)域大型構(gòu)件重要輕質(zhì)材料，采用WADED制造的Al-Mg構(gòu)件存在氣孔缺陷多發(fā)、組織粗大和強(qiáng)度不足等問題，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的工程應(yīng)用推廣。激光沖擊強(qiáng)化（Laser shock peening，LSP）技術(shù)具有強(qiáng)化效果顯著、可達(dá)性高和對(duì)零件尺寸精度影響小等優(yōu)勢(shì)，被應(yīng)用于多種材料體系增材制造構(gòu)件中。通過激光沖擊強(qiáng)化產(chǎn)生表面塑性變形可閉合增材構(gòu)件近表面氣孔和細(xì)化微觀組織，并產(chǎn)生較明顯的加工硬化，強(qiáng)度提升的同時(shí)導(dǎo)致塑性降低。

基于此，北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院郭偉教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種激光沖擊強(qiáng)化+退火策略，通過LSP閉合WADED鋁合金近表面氣孔，產(chǎn)生加工硬化效果。進(jìn)一步通過退火處理調(diào)控LSP產(chǎn)生的梯度結(jié)構(gòu)，從而改善增材制造鋁合金構(gòu)件的強(qiáng)度與塑性。結(jié)果表明，LSP產(chǎn)生的塑性變形可以有效閉合近表面氣孔，形成無缺陷區(qū)；促進(jìn)近表面區(qū)域晶粒細(xì)化、產(chǎn)生大量小角度晶界（LAGBs）和高密度位錯(cuò)，從而顯著提高強(qiáng)度；同時(shí)由于位錯(cuò)容納能力的下降導(dǎo)致塑性變差。退火過程中，LSP在近表面區(qū)域產(chǎn)生的高密度位錯(cuò)和高儲(chǔ)存能加速再結(jié)晶，促進(jìn)晶粒再生長(zhǎng)；在保留無缺陷區(qū)和“硬-軟-硬”梯度結(jié)構(gòu)的同時(shí)，消除部分位錯(cuò)和LAGBs，減弱LSP引起的加工硬化，顯著提高延伸率。無缺陷區(qū)、位錯(cuò)強(qiáng)化和LAGBs強(qiáng)化是強(qiáng)度提高的主要原因，具有梯度力學(xué)性能的表面硬化層和內(nèi)部軟化層之間的協(xié)同變形促進(jìn)塑性顯著提高。通過平衡LSP產(chǎn)生的硬化效果和退火產(chǎn)生的軟化效果，可實(shí)現(xiàn)WADED鋁合金強(qiáng)度和塑性協(xié)同提升。研究結(jié)果為電弧增材制造結(jié)構(gòu)強(qiáng)塑性協(xié)同優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

相關(guān)研究成果以“Tailoring properties of directed energy deposited Al-Mg alloy by balancing laser shock peening and heat treatment”為題發(fā)表在材料科學(xué)與工程權(quán)威期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.051

圖1 WADED鋁合金激光沖擊強(qiáng)化+退火工藝流程：（a）WADED；（b）雙面激光沖擊強(qiáng)化；（c）退火

LSP引發(fā)塑性變形促進(jìn)WADED鋁合金近表面氣孔閉合，形成一定深度的無缺陷區(qū)，在合理的低溫退火處理后，無缺陷區(qū)依然保留。通過μCT斷層掃描技術(shù)進(jìn)行了氣孔三維特征統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明大尺寸氣孔存在層間偏聚傾向，LSP可以顯著減少一定作用深度范圍內(nèi)的氣孔數(shù)量。

圖2 WADED鋁合金經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化及退火工藝后氣孔分布特征：（a）近表面氣孔特征，強(qiáng)化后出現(xiàn)無缺陷區(qū)；（b-c）LSP前后試樣氣孔三維特征

LSP可以促進(jìn)晶粒細(xì)化，并誘導(dǎo)大量小角度晶界（LAGBs）和超高密度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)；晶粒尺寸、LAGBs和位錯(cuò)密度沿深度方向呈梯度演變。經(jīng)LSP處理的樣品在退火過程中更容易發(fā)生再結(jié)晶和晶粒粗化，LAGBs和位錯(cuò)密度顯著下降。

圖3 不同處理?xiàng)l件下樣品的EBSD結(jié)果：（a-d）沉積態(tài)、LSP、LSP+退火和沉積態(tài)+退火；（e）距離表面不同深度區(qū)小角度晶界長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)；（f）取樣示意

圖4 距離樣品表面不同深度位錯(cuò)形貌：（a）沉積；（b）LSP樣（c）LSP+退火

通過研究距離表面不同深度位置顯微硬度、殘余應(yīng)力和拉伸性能，揭示了LSP、LSP+退火樣品中存在力學(xué)性能梯度分布特征，具有由表面硬化層和內(nèi)部軟化層組成的“硬-軟-硬”復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖5 沿深度方向梯度力學(xué)性能表征特征：（a）硬度分布；（b）殘余應(yīng)力分布；（c，d）不同深度拉伸性能

LSP樣品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為194.3MPa（較沉積態(tài)提高46%）、350.9MPa（提高23%）和15.1%（降低8%）。經(jīng)退火后，屈服強(qiáng)度（158.3MPa）和抗拉強(qiáng)度（294.2MPa）降低，伸長(zhǎng)率顯著提升（27.2%）。

圖6 沉積態(tài)、LSP和LSP+退火樣品拉伸性能：（a，b）拉伸性能結(jié)果；（c）當(dāng)前研究工作拉伸性能與常見強(qiáng)化方法對(duì)比

無缺陷區(qū)增加了增材樣品的實(shí)際承載面積，殘余壓應(yīng)力可緩解殘留氣孔周圍的應(yīng)力集中，阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展；近表面區(qū)域由于顯著的位錯(cuò)強(qiáng)化和LAGBs強(qiáng)化形成了高強(qiáng)度硬化層，從而顯著提高樣品的整體強(qiáng)度。表面硬化層與內(nèi)部軟化層在拉伸變形過程中的協(xié)同變形有利于提高樣品整體的位錯(cuò)存儲(chǔ)能力，從而提高樣品的塑性。

圖7 LSP+退火工藝對(duì)WADED鋁合金強(qiáng)度提高機(jī)理示意圖

明顯的無缺陷區(qū)和微觀組織演變需要采用高功率密度激光或多次LSP進(jìn)行表面強(qiáng)化，以保證在樣品表面產(chǎn)生足夠的表面塑性變形；但同時(shí)帶來加工硬化，一定程度降低樣品塑性。通過退火工藝，消除過量位錯(cuò)和LAGBs，同時(shí)保持無缺陷區(qū)和梯度微觀組織，從而恢復(fù)塑性。通過平衡LSP硬化和退火軟化可實(shí)現(xiàn)WADED鋁合金構(gòu)件強(qiáng)度與塑性協(xié)同提升。

圖8 基于平衡LSP與退火作用的強(qiáng)塑性協(xié)同提升策略

引用格式：Dai W, Guo W, Xiao J, et al. Tailoring properties of directed energy deposited Al-Mg alloy by balancing laser shock peening and heat treatment, J. Mater. Sci. Technol. 2024, 203: 78-96. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.051