大連理工大學(xué)馬廣義教授：激光-電弧復(fù)合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金高溫力學(xué)性能

來源 :材料科學(xué)與工程

與目前常規(guī)Ti和Ni基高溫合金相比，能夠承受工作溫度>40%Tm（Al的熔點(diǎn)）鋁合金越來越受關(guān)注。作為可沉淀強(qiáng)化的輕質(zhì)材料，Al-Zn-Mg-Cu合金因其高比強(qiáng)度、高損傷容限和優(yōu)異的可加工性能而被廣泛應(yīng)用航空航天領(lǐng)域。但當(dāng)其暴露在>340K溫度時，強(qiáng)度變得對溫度極度敏感。需要迫切考慮Al-Zn-Mg-Cu合金高溫力學(xué)性能，這對服役安全至關(guān)重要。

基于此，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院馬廣義、吳東江教授在不改變合金化學(xué)成分的情況下，利用“激光-電弧復(fù)合增材+熱處理”方式實(shí)現(xiàn)Al-Zn-Mg-Cu合金高溫力學(xué)性能提升。相關(guān)論文以題為“Enhanced high-temperature mechanical properties of laser-arc hybrid additive manufacturing of Al-Zn-Mg-Cu alloy via microstructure control”，發(fā)表在冶金頂級期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.071

利用三維XCT重構(gòu)成形樣件內(nèi)部缺陷，發(fā)現(xiàn)熱處理態(tài)樣件氣孔密度增加，一方面，殘余氫在熱運(yùn)動下聚集并膨脹，形成孔隙；另一方面，大量的第二相溶解，其原位留下孔洞，表現(xiàn)為不規(guī)則的微孔。沿沉積方向截面上觀察到雙峰異質(zhì)組織，即電弧區(qū)的柱狀晶和激光區(qū)的等軸晶。晶界取向角度差有兩種，包括低角度晶界（2°≤LAGB<15°）和高角度晶界（15°≤HAGB）。研究發(fā)現(xiàn)，沉積態(tài)試樣以LAGB為主，比例為52.7%，熱處理態(tài)樣件以HAGB為主，比例增加至75.2%。高溫處理下，LAGB亞晶界位錯在熱激活能和空位擴(kuò)散機(jī)制下解離和滑移，使亞晶界向周圍晶界的遷移，導(dǎo)致從小角度到大角度轉(zhuǎn)變。少量的η相分布在沉積態(tài)樣件晶粒內(nèi)部，大量的第二相以共晶組織形式聚集在晶界；而高密度的η′相分布在熱處理態(tài)樣件中。沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫（473K）抗拉強(qiáng)度為240 ± 15 MPa，而熱處理態(tài)高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到362 ± 20 MPa，斷后伸長率為6.8 ± 0.3%，該合金的綜合高溫力學(xué)性能優(yōu)于大多數(shù)LBPF制備和WAAM制備的AlSi10Mg、Al-Cu及Al-Mg-Sc合金。

圖1激光-電弧復(fù)合增材Al-Zn-Mg-Cu合金缺陷-組織-性能演變規(guī)律

基于熱力學(xué)和動力學(xué)理論，計(jì)算了析出相溶解、形核生長臨界條件，并探討高溫拉伸后微觀組織與力學(xué)性能演變機(jī)理。Zn和Mg元素擴(kuò)散速率與溫度呈指數(shù)正相關(guān)，473K下擴(kuò)散速率是室溫的~108倍。因此，熱處理態(tài)樣件暴露在473K高溫拉伸條件下，原有的η′相發(fā)生溶解和粗化。另外，位錯可借助高溫環(huán)境提供的熱激活能和空位擴(kuò)散克服障礙，易產(chǎn)生位錯滑移與攀移，故熱處理態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫強(qiáng)度顯著低于室溫強(qiáng)度。相較于沉積態(tài)樣件，熱處理態(tài)樣件高溫力學(xué)性能提升的原因包括兩方面：第一，HAGB由交替的無序和規(guī)則原子陣列組成，防止了位錯轉(zhuǎn)移到相鄰的晶界，故HAGB產(chǎn)生位錯攀升的障礙；第二，亞穩(wěn)態(tài)η′沉淀相產(chǎn)生晶格畸變和應(yīng)變場，阻礙位錯運(yùn)動并增加抗滑移變形能力。

圖2（a）高溫拉伸實(shí)驗(yàn)前熱處理態(tài)樣件TEM圖；（b）高溫拉伸實(shí)驗(yàn)后熱處理態(tài)樣件TEM圖。

圖3（a）熱處理態(tài)樣件中η′相HRTEM圖；（b）圖（a）的逆FFT；（c）GPA分析應(yīng)變（εxx）；（d）圖（c）沿箭頭方向提取的應(yīng)變分布；（e）沉積態(tài)樣件η相的HRTEM和FFT圖；（f）GPA分析應(yīng)變（εxx）；（g）圖（f）沿箭頭方向提取的應(yīng)變分布。

圖4通過熱處理調(diào)控微觀組織示意圖：（a）沉積態(tài)樣件；（b）熱處理態(tài)樣件。

*感謝論文作者團(tuán)隊(duì)對本文的大力支持。