高性能無需熱處理的Al-6Mg-0.3Sc合金的電弧增材制造研究

來源： WAAM電弧增材

在對增材制造的部件進行熱處理過程中釋放的殘余應(yīng)力可能會導致顯著的變形，尤其是對于那些具有薄壁特征和變截面的部件。傳統(tǒng) Al-Mg 合金是不可熱處理材料，添加鈧（Sc）后會形成 Al3Sc 納米沉淀物，在凝固時，初生 Al3Sc（微米級）可作為異質(zhì)形核點細化晶粒，經(jīng)合適熱處理可析出次生 Al3Sc（納米級）粒子，能固定位錯和亞晶界增強合金，有利于大型部件成型，沉積后可直接使用，無需復雜昂貴的后熱處理。

電弧模式是電弧增材制造的關(guān)鍵參數(shù)，在冷金屬過渡 + 脈沖電弧（CMT + PA）模式下對晶粒尺寸和孔隙率影響顯著，不同的電弧模式對晶粒尺寸和孔隙率影響機制的進一步深入研究仍然有限，對微觀結(jié)構(gòu)演變和強化機制的影響尚不清楚。雖然在 Al-Mg-Sc 合金增材制造文獻中已報道雙峰微觀結(jié)構(gòu)能顯著提高部件強度-塑性協(xié)同，但在增材制造領(lǐng)域?qū)﹄p峰結(jié)構(gòu)的控制尚未實現(xiàn)。

近日，西安交通大學在工程技術(shù)領(lǐng)域頂刊Journal of Manufacturing Processes上發(fā)表了題為"Wire-arc directed energy deposition of high performance heat treatment free Al-6Mg-0.3Sc alloy"的研究成果。在這項研究中，通過使用電弧增材技術(shù)成功制造了高性能無需熱處理的Al-6Mg-0.3Sc合金部件，實現(xiàn)了屈服強度為223.0 ± 0.9 MPa、抗拉強度為408.5 ± 3.2 MPa、延伸率為20.6 ± 1.7%的優(yōu)異機械性能。結(jié)果表明，與CMT電弧模式相比，CMT + PA電弧模式能產(chǎn)生更明顯的雙峰微觀結(jié)構(gòu)，改善了延伸率。機械性能增強機制更多依賴于固溶強化和晶界強化，而不是沉淀強化。此外，這項研究首次建立了熔滴過渡與微觀結(jié)構(gòu)演變之間的相關(guān)性。


圖1. WAAM系統(tǒng)：
(a) 原理圖；(b) 成型設(shè)備；
(c) 沉積策略；(d) 樣品取樣位置和尺寸；
(e) CMT電弧模式樣品；
(f) CMT + PA電弧模式樣品


圖 2. CMT 電弧模式：
（a-g）熔滴過渡圖像及其示意圖；
（h）電流和電壓波形

圖3. CMT + PA電弧模式：
(a-g) 熔滴過渡的圖像及其示意圖；
(h) 電流和電壓波形


圖 4. 不同電弧模式下的熔池形態(tài)：
（a）CMT；（b）CMT + PA


圖 5. 不同電弧模式的 XCT 圖像和孔徑統(tǒng)計：
（a）CMT；（b）CMT + PA


圖 6. 不同電弧模式下 Al-Mg-Sc 合金的 XRD 圖樣


圖 7. 不同電弧模式下的金相圖像：
（a）CMT；（b）CMT + PA


圖 8. CMT 和 CMT-PA 樣品的 EBSD 分析：
CMT 樣品：(a1) IPF（反極圖）圖；
(a2) 晶粒尺寸分布；
(a3) PF（極圖）圖；
CMT + PA 樣品：(b1) IPF 圖；
(b2) 晶粒尺寸分布；
(b3) PF 圖


圖 9. 不同電弧模式下 FG 區(qū)域的
SEM 圖像和相應(yīng)的 EDS 圖：（a）CMT；（b）CMT + PA


圖 10. 不同電弧模式下 CG 區(qū)域的
SEM 圖像和相應(yīng)的 EDS 圖：（a）CMT；（b）CMT + PA

關(guān)鍵結(jié)論
在這項研究中，成功地使用電弧增材制造技術(shù)制造了高性能無需熱處理的Al-Mg-Sc合金部件。揭示了不同電弧模式對機械性能、缺陷、微觀結(jié)構(gòu)和強化機制的影響。

（1）利用CMT + PA電弧模式，可以在沉積狀態(tài)下實現(xiàn)機械性能，屈服強度為223.0 ± 0.9 MPa，抗拉強度為408.5 ± 3.2 MPa，延伸率為20.6 ± 1.7%。這主要歸因于固溶強化和晶界強化，計算結(jié)果與實驗結(jié)果一致。

（2）CMT + PA電弧模式可以將平均晶粒尺寸細化到7.1 ± 1.65 μm，并將孔隙率降低到0.028%。

（3）CMT + PA電弧模式獨特的熔滴過渡工藝和較低的熱輸入產(chǎn)生了更明顯的雙峰微觀結(jié)構(gòu)（粗大的CG和更細的大面積FG）。CMT + PA電弧模式誘導的更明顯的雙峰微觀結(jié)構(gòu)增強了HDI強化，同時提高了屈服強度和延伸率。

（4）論文提出了一種可行的方法來增強電弧增材制造的的Al-Mg-Sc合金部件的沉積性能，為避免電弧增材制造的大型部件所需的繁瑣熱處理提供了方向。

通訊作者
方學偉，西安交通大學機械工程學院副教授，第七屆中國科協(xié)青年人才托舉工程入選者，師從盧秉恒院士。主要研究方向為大形金屬構(gòu)件高效增材制造工藝及裝備，金屬增材制造微觀組織性能調(diào)控及金屬增材制造過程數(shù)值計算模擬等。在金屬增材制造領(lǐng)域國際高水平SCI期刊Addit Manuf、Virtual and Physical Prototyping、Int J Extreme Manuf、Int J Mach Tools Manuf等發(fā)表論文40余篇，出版中文教材1部，撰寫英文章節(jié)1章，中文專著2部，授權(quán)國家發(fā)明專利30余項。擔任Additive Manufacturing Frontiers、機械工程學報、焊接學報、電焊機雜志等中英文期刊編委/青年編委，擔任SCI期刊Frontiers in Materials、Coatings客座編輯，Additive Manufacturing、Int J Extreme Manuf等領(lǐng)域頂級期刊審稿人。擔任中國機械工程學會再制造分會委員、中國有色金屬學會增材制造分會委員、增材制造分會青年委員、焊接分會青年委員。主持重點研發(fā)計劃課題、JCJQ重點項目課題、國家自然科學基金、博士后面上/特別資助、航空基金、航天基金等項目20余項。

論文引用
Kai Li, Xuewei Fang, Jiannan Yang, Xinzhi Li, Minghua Ma, Jiahao Shang, Ke Huang. Wire-arc directed energy deposition of high performance heat treatment free Al-6Mg-0.3Sc alloy: Journal of Manufacturing Processes125(2024) 589-603.

DOI:https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.07.088