新加坡制造技術(shù)研究所增材頂刊：通過控制工藝參數(shù)和熱處理提高鋁合金的機(jī)械性能

來源：焊接切割聯(lián)盟

對(duì)于焊接性較差的合金，如高強(qiáng)度鋁合金（Al˗Cu基2xxx系列合金、Al˗Mg˗Si基Al6xxx系列合金和Al˗Zn˗Mg基Al7xxx系列合金），熱裂紋的形成會(huì)降低機(jī)械性能并阻礙工業(yè)應(yīng)用。對(duì)可印刷合金的可焊性的苛刻要求限制了適用于L-PBF的鋁合金體系，以Al˗Si（Mg）系列合金，這反過來又阻礙了L-PBF成熟到其鋁合金的全部潛力。常見的解決方案是通過調(diào)整工藝參數(shù)來改變凝固條件（如熱梯度和凝固速度）或成分改性以增強(qiáng)非均相成核。

但是改變工藝參數(shù)并不通用且高度依賴機(jī)器；成分改性基本原理是引入能夠觸發(fā)形成與Al基質(zhì)具有低晶格失配的Al3X(X=Zr、Sc、Nb或Ta)納米顆粒的元素。Al3X顆粒與Al基體之間的低晶格失配保證了異質(zhì)形核的低界面能，從而有利于超細(xì)晶的形成和裂紋的消除。

除了裂紋愈合外，通過常規(guī)加工不容易實(shí)現(xiàn)的逐層構(gòu)造和非平衡凝固產(chǎn)生的特定微觀組織，例如通常觀察到的Lüders帶，這是在含有UFG的L-PBF Al合金中觀察到的。然而，對(duì)因改變加工參數(shù)和熱處理效果而引起的Lüders帶演化的研究很少。此外，由于形成熱穩(wěn)定的Al3（Sc，Zr）顆粒用于Sc和Zr改性的鋁合金，具有潛在的高溫應(yīng)用，然而，大多數(shù)研究集中在室溫拉伸性能上，而對(duì)高溫拉伸性能的研究很少。

新加坡制造技術(shù)研究所Nai Mui Ling Sharon團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種適用于L-PBF的含有Zr和Sc的成分改性Al6061合金，并將其選為模型系統(tǒng)，以了解以下問題：（1）通過調(diào)整激光能量密度，揭示打印參數(shù)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)演變的影響及其對(duì)力學(xué)性能的影響；（2）采用各種熱處理方案來研究它們對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能的影響；（3）L-PBF Sc和Zr改性Al6061合金的高溫拉伸性能。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104164

圖 1. (a) AL6061MOD 粉末的 SEM 圖像和 (b) 粒度分布。

圖 2. AL6061MOD 合金成品的微觀結(jié)構(gòu)。不同激光能量密度下樣品的 EBSD：(a) E = 1188 J/mm3，(b) E = 594 J/mm3，（c）297 J/mm3 ，(d) E = 149 J/mm3 ，(e) E = 66 J/mm3。(c1) 和 (c2) E297 樣品在高放大倍數(shù)下的 EBSD。(f,f1,f2) SEM 圖像顯示了 E297 樣品中的異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和白色對(duì)比沉淀物的形成。

圖 3. 對(duì)成品樣品中的 UFG 和 CCG 進(jìn)行 STEM 分析。(a) UFG 的 BF 和 (b) HAADF 圖像。(a1)-(a8) 顯示了 (a) 對(duì)應(yīng)的 EDS 映射圖像。(c) CCG 的 BF 和 (d) HAADF 圖像。(c1)-(c8) 顯示了 (a1) 對(duì)應(yīng)的 EDS 映射圖像

圖 4. AL6061MOD 成品樣品的 TEM 圖像。(a) 從 UFG 拍攝的 TEM 圖像，顯示圓圈反射的 Al3Sc 粒子。插圖顯示了沿[001]的圓圈沉淀物的選定區(qū)域衍射圖案，顯示了超晶格反射。(b) 沿[001]區(qū)域軸拍攝的 HRTEM 圖像。插圖顯示了相應(yīng)矩形區(qū)域的快速傅立葉變換 (FFT)。(c) HRTEM 圖像顯示 Al 和 Al3Sc 之間的界面。圖片

圖 5. 不同熱處理?xiàng)l件下 AL6061MOD 成品顯微硬度的變化。

圖 6.T6 后 AL6061MOD 合金的微觀結(jié)構(gòu)。(a) 3D OM 圖像顯示高致密化。(b-d) SEM 圖像顯示異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和白色對(duì)比沉淀物的形成。(e-g) EBSD 圖像顯示晶粒尺寸分布。(g1-g3) (g) 中相應(yīng)區(qū)域的 EDS 元素映射。(h) T6 AL6061MOD 樣品的晶粒尺寸分布。

圖 7. T6 后 AL6061MOD 合金的 STEM 微觀結(jié)構(gòu)表征。(a) 樣品的 BF 和 (b) HAADF 圖像。(a1-a8) (a2) 中相應(yīng)區(qū)域的 STEM EDS 映射。(c) BF、(c1-c3) EDS 映射和 (d) Sc Zr Si 富集顆粒的 SAED。(e) BF、(e1,e2) EDS 映射和 (f) Mg-Si 富集沉淀物的 HRTEM 圖像。

圖 8. AL6061MOD 合金在 350 ˚ C/4 小時(shí) DA 后的微觀結(jié)構(gòu)。(a-d) EBSD 圖像顯示存在具有多峰晶粒尺寸分布的異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。(c 1-c 3) c 中相應(yīng)區(qū)域的 EDS 映射。(e) 超細(xì)晶粒區(qū)域的晶粒尺寸分布。

圖 9. DA 后原狀 AL6061MOD 合金的 STEM 和 EDS 映射。(a) BF、(b) HAADF、(a1-a8) 原狀 AL6061MOD 合金的 EDS 映射。(c) HAADF-STEM 圖像顯示 L12 結(jié)構(gòu)的 Al3(Sc,Zr) 粒子。(d)(c) 中的放大區(qū)域顯示了 Al 基質(zhì)和 Al3(Sc,Zr) 之間界面的原子重合。

圖 10. 不同條件下 AL6061MOD 合金的拉伸性能。(a) AL6061MOD 合金樣品沿水平和垂直方向的拉伸性能。插圖顯示了這兩種條件下Lüders帶的演變。插圖中列出了屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和Lüders帶應(yīng)變。(b) 激光能量密度對(duì) AL6061MOD 合金樣品拉伸性能的影響。插圖顯示了不同激光能量密度下Lüders帶的演變。插圖中列出了屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和Lüders帶應(yīng)變。(c) 熱處理對(duì)采用 E297 的 AL6061MOD 合金拉伸性能的影響。(d) 自然時(shí)效對(duì)固溶處理后 AL6061MOD 合金拉伸性能的影響。

圖 11. (a) A6061Mod 合金的高溫拉伸性能。(b) 屈服強(qiáng)度、(c) 極限拉伸強(qiáng)度和 (d) 斷裂伸長率。

圖 12. 不同條件下添加 E297 的 LL-PBF-PBF AL6061MOD 的斷裂表面。（a）水平方向的成品樣品；（b）350 ℃/4 h 的 DA 樣品；（c）T6 樣品；（d）ST 樣品；（e）垂直方向的成品樣品。

主要結(jié)論概括如下：
采用 L-PBF 增材制造了具有良好打印性能的無裂紋 Sc 和 Zr 改性 Al6061 合金 (AL6061MOD)。通過修改工藝參數(shù)和后熱處理曲線，可以在廣泛的范圍內(nèi)定制制造的 AL6061MOD 樣品的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。本研究的主要發(fā)現(xiàn)如下：

1.L-PBF AL6061MOD 樣品呈現(xiàn)由粗柱狀晶粒 (CCG) 和超細(xì)晶粒 (UFG) 組成的多模態(tài)晶粒。

2.AL6061MOD 的 UFG 和 CCG 的比例受激光能量密度的影響。較高的激光能量密度會(huì)產(chǎn)生較高的 UFG 比例，而較長的時(shí)間來沉淀初級(jí) Al3(Sc,Zr) 粒子也起到了一定的作用。

3.通過后熱處理可以廣泛調(diào)整成品 AL6061MOD 的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。

（i）傳統(tǒng)的 T6 熱處理會(huì)導(dǎo)致晶粒 (晶粒尺寸約為 5.3 μm) 和 (Al,Si)3(Sc,Zr) 顆粒 (約為 42 nm) 變粗，從而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度降低 (約為 280 MPa)。

（ii）在 350 ℃ 下進(jìn)行 DA 可促進(jìn)納米級(jí) Al3(Sc,Zr) 顆粒 (直徑約為 5 nm) 的析出，同時(shí)保持雙峰晶粒和晶粒尺寸，從而提供更高的屈服強(qiáng)度 (約為 383 MPa) 但加工軟化。

（iii）350 °C 下的 DA 產(chǎn)生的屈服強(qiáng)度比室溫下的成品樣品高。然而，在 200 °C 下測(cè)試時(shí)，DA 和成品樣品的屈服強(qiáng)度相似。