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北京工業(yè)大學:增材制造高強度和高延展性的Al-Zn-Mg-Cu合金 

2022-07-13 06:58
導論:本研究采用電弧增材制造技術成功制備了具有高強度和延展性的Al-Zn-Mg-Cu合金。創(chuàng)新地研究了復合加工(非均相顆粒和熱處理)對Al-Zn-Mg-Cu合金電弧增材制造沉積的微觀結構和力學性能的影響。

經(jīng)過復合處理,沉積的晶粒形貌成功地從粗柱狀晶體轉變?yōu)橹旅艿牡容S晶體,極大地促進了納米沉淀相的析出。深入研究了微觀結構對力學性能的影響。由于微觀結構的改變,材料的抗拉強度從206.8±14.3 MPa增加到503.6±10.1 MPa(水平方向)和256.2±13.1 MPa增加到501.2±10.0 MPa(垂直方向),伸長率從4.1±0.9%增加到10.9±1.0%(水平方向)和6.6±0.3%到13.4±0.3%(垂直方向),硬度也從117.9 HV增加到197.9 HV。

最后,研究表明,復合加工不僅促進了強度和伸長率的同時增加,而且大大提高了沉積的各向異性。細晶粒強化是提高伸長率的主要機理。降水強化是強化實力的主要機理。本研究可為提高線弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的強度和伸長率提供理論指導,從而促進工程應用。

由于其優(yōu)異的機械性能,高比強度和疲勞韌性,Al-Zn-Mg-Cu合金廣泛用于航空航天應用的復雜,輕質結構部件,例如飛機機身和翼肋。然而,在DebRoy等人(2018)的研究中,大型和復雜的結構零件仍然通過減少制造來制造,導致材料浪費,加工周期長以及對加工工具的嚴格要求。

因此,升級和創(chuàng)新傳統(tǒng)制造迫在眉睫。線弧增材制造(WAAM)使用連續(xù)的“線”作為基本配置單元,零件尺寸不受成型缸設備和真空室尺寸的限制。Wu等人(2018)的研究發(fā)現(xiàn),這可以“自由制造”復雜結構零件。

Wang等人(2017)指出,本實用新型大大提高了材料利用率,特別適用于大型復雜飛機部件的低成本快速成型。然而,目前的研究主要集中在Al-Mg,Al-Cu和Al-Si合金上。Ryan等人(2018)發(fā)現(xiàn),由于高溫電弧源在熔池的自由凝固過程中形成松散的粗晶粒和缺陷,例如孔隙和裂縫。

因此,沉積鋁合金的機械性能不能滿足要求。Klein等人,2021a,Klein等人,2021b通過使用定制焊絲改善了Al-Zn-Mg-Cu合金WAAM沉積部件的性能,但性能提升很小。Morais等人(2020)報道,Al-Zn-Mg-Cu線材助劑沉積部件采用冷金屬傳遞脈沖先進(CMT-PADV)技術制造,發(fā)現(xiàn)雖然沉積部件的性能有所提高,但仍存在缺陷。常用的材料強化方法導致拉伸強度的單方面提高;然而,同時強度和伸長率的改善受到限制。

Al-Zn-Mg-Cu合金是可熱處理的,這是主要的機械強化方法之一。Klein等人,2021a,Klein等人,2021b發(fā)現(xiàn),熱處理顯著提高了通過WAAM制備的Al-Zn-Mg-Cu的硬度,但綜合性能較弱。Wang等人,2020a,Wang等人,2020b對含有微量元素的鑄Al-Zn-Mg-Cu進行了固溶熱處理,Al-WAAM沉積層的拉伸強度增加了約70 MPa,伸長率降低。Moon等人(2021)對三種不同冷卻條件下Al-Zn-Mg-Cu軋制板的熱處理進行了測試和模擬,發(fā)現(xiàn)熱處理后伸長率明顯下降,水冷試樣的拉伸強度增加,但伸長率較弱。

Wei等人(2020)比較了不同時效處理對噴霧沉積法制備的Al-Zn-Mg-Cu組分性能的影響,發(fā)現(xiàn)強度和伸長率受到影響。Xie等人(2019)對鍛造Al-Zn-Mg-Cu進行了不同的熱處理,并報告說,通過T6熱處理,拉伸強度增加到678 MPa,但伸長率僅為9%。在Wang等人,2020a,Wang等人,2020b中,對壓鑄Al-Zn-Mg-Cu進行非等溫時效熱處理以提高強度和伸長率??估瓘姸忍岣叩?80 MPa,但伸長率僅為9.76%。強度-伸長率的權衡也對金屬材料的強化提出了很大的挑戰(zhàn)。

對晶粒細化方法的研究為提高鋁合金伸長率提供了有用的信息。Yang等人(2019)提出,在熱擠壓成型過程中加入TiC顆粒,對Al-Cu-Mg合金中的晶粒進行精煉,從而降低了應力集中并增加了伸長率。

然而,晶粒細化對拉伸強度幾乎沒有影響。Martin et al. (2017) 添加了 ZrH2在激光增材制造過程中,顆粒轉化為Al-Zn-Mg-Cu合金,由于柱狀晶體轉化為等軸晶體,從而獲得高機械性能,從而減少了內部缺陷并改善了伸長率。然而,拉伸強度的改善并不顯著。Wang等人(2019)報道,通過添加Ti粉,Al-Mg合金電弧添加劑沉積的晶粒尺寸得到細化,性能得到改善。

提高拉伸強度同時提高伸長率的方法已成為鋁合金的緊迫研究重點。在這里,北京工業(yè)大學Xuelei Ren等人基于WAAM特性和Al-Zn-Mg-Cu合金的機械性能進行了復合加工方法。最初,在WAAM期間通過添加非均相顆粒來精煉基質顆粒。然后,熱處理增加了沉積部件的抗拉強度。

因此,獲得了高強度和伸長率,而無需進行強度- 延展性權衡。相關研究以題“Microstructure and properties research of Al-Zn-Mg-Cu alloy with high strength and high elongation fabricated by wire arc additive manufacturing”發(fā)表在Journal of Materials processing Technology上
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圖 1.WAAM沉積過程和采樣位置。
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圖 2.熱處理和TiN顆粒對晶粒形態(tài)的影響(a)沉積;(b) T6沉積;(c) TiN 沉積和 (d) TiN+T6 沉積。
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圖 3.(a)晶粒形貌,(b)晶粒比例和晶粒尺寸變化趨勢的電子反向散射衍射結果;(c) 晶粒形態(tài),(d) TiN沉積的晶粒尺寸比例和變化趨勢;(e) 晶粒形態(tài),(f) T6沉積晶粒尺寸的比例和變化趨勢;(g)TiN+T6沉積的晶粒形態(tài),(h)晶粒尺寸的比例和變化趨勢。
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圖 4.(a) 沉積的紋理強度;(b) 鈦沉積;(c) T6 沉積和 (d) TiN+T6 沉積。
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圖 5.(a) 沉積的掃描電子顯微照片;(b) 鈦沉積;(c) T6沉積;(d) TiN+T6沉積;(e)共晶結構和(f)沉淀。
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圖 6.(a) 作為沉積的X射線衍射結果;(b) 鈦沉積;(c) T6 沉積和 (d) TiN+T6 沉積。
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圖 7.(a) 作為沉積的元素富集;(b) 鈦沉積;(c) T6沉積。
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圖 8.鋁鋅鎂銅沉積的水平和垂直拉伸強度。
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圖 9.透射電子顯微鏡沿[110]鋁方向。(a) 相,(b) BOX 1 的快速傅里葉變換 (FFT) 衍射圖和 (c) 的晶格參數(shù)模式;(d) 吉尼爾-普雷斯頓區(qū),(e) BOX 2的FFT衍射圖和(f) GP區(qū)的晶格參數(shù)模式。
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圖 10.透射電子顯微鏡沿[110]鋁(a) 作為沉積的方向;(b) TiN-沉積;(c) T6 沉積和 (d) TiN+T6 沉積。
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圖 11.細晶強化和各向異性的增強機理示意圖.(a)水平和(b)垂直方向的沉積;TiN在(c)水平方向和(d)垂直方向上的沉積。

結論:本研究旨在同時提高Al-Zn-Mg-Cu合金線材電弧添加劑沉積的強度和伸長率。通過復合加工(非均相顆粒和熱處理)成功地改善了沉積物的微觀結構和力學性能?;谖⒂^結構表征和力學性能測試,全面研究了微觀結構演化與力學性能的相關性。結論總結如下:

(1)在非均相顆粒處理階段,TiN顆粒改善了沉積的自由凝固過程,增加了非均相成核位點。沉積的晶粒形態(tài)從柱狀晶體完全轉變?yōu)榈容S晶體。晶粒尺寸從692.6 μm減小到89.2 μm,高角度晶界比例增加,晶粒取向更加隨機,織構強度降低。在熱處理階段,沉積中元素的偏析減弱,沉積中納米沉淀相的析出大大促進。

(2)復合材料加工后的沉積顯示出優(yōu)異的機械性能。沉積物的水平和垂直伸長率分別達到10.9±1.0%和13.4±0.3%,分別比沉積層高165.9%和103.0%。細晶粒強化是提高伸長率的主要機理。

(3)沉積層的水平和垂直抗拉強度分別為503.6±10.1 MPa和501.2±10.0 MPa,分別比沉積層高143.5%和95.6%。維氏硬度平均從117.9 HV增加到197.9 HV。降水強化是強化實力的主要機理。由于微觀結構的改變,沉積的各向異性降低。

(4)Al-Zn-Mg-Cu合金經(jīng)過復合加工后的線弧添加劑沉積,達到了商用AA7050的性能水平,可作為其工業(yè)應用的寶貴指導。

來源:材料學網(wǎng)
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