導(dǎo)論：本研究采用電弧增材制造技術(shù)成功制備了具有高強(qiáng)度和延展性的Al-Zn-Mg-Cu合金。創(chuàng)新地研究了復(fù)合加工（非均相顆粒和熱處理）對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金電弧增材制造沉積的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。

經(jīng)過(guò)復(fù)合處理，沉積的晶粒形貌成功地從粗柱狀晶體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿牡容S晶體，極大地促進(jìn)了納米沉淀相的析出。深入研究了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響。由于微觀結(jié)構(gòu)的改變，材料的抗拉強(qiáng)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(zhǎng)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(fù)合加工不僅促進(jìn)了強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的同時(shí)增加，而且大大提高了沉積的各向異性。細(xì)晶粒強(qiáng)化是提高伸長(zhǎng)率的主要機(jī)理。降水強(qiáng)化是強(qiáng)化實(shí)力的主要機(jī)理。本研究可為提高線弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率提供理論指導(dǎo)，從而促進(jìn)工程應(yīng)用。

由于其優(yōu)異的機(jī)械性能，高比強(qiáng)度和疲勞韌性，Al-Zn-Mg-Cu合金廣泛用于航空航天應(yīng)用的復(fù)雜，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件，例如飛機(jī)機(jī)身和翼肋。然而，在DebRoy等人（2018）的研究中，大型和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件仍然通過(guò)減少制造來(lái)制造，導(dǎo)致材料浪費(fèi)，加工周期長(zhǎng)以及對(duì)加工工具的嚴(yán)格要求。

因此，升級(jí)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(shè)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(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。

Wang等人（2017）指出，本實(shí)用新型大大提高了材料利用率，特別適用于大型復(fù)雜飛機(jī)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(guò)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(jī)械性能不能滿足要求。Klein等人，2021a，Klein等人，2021b通過(guò)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(bào)道，Al-Zn-Mg-Cu線材助劑沉積部件采用冷金屬傳遞脈沖先進(jìn)（CMT-PADV）技術(shù)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(qiáng)化方法導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度的單方面提高;然而，同時(shí)強(qiáng)度和伸長(zhǎng)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(jī)械強(qiáng)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(guò)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(duì)含有微量元素的鑄Al-Zn-Mg-Cu進(jìn)行了固溶熱處理，Al-WAAM沉積層的拉伸強(qiáng)度增加了約70 MPa，伸長(zhǎng)率降低。Moon等人（2021）對(duì)三種不同冷卻條件下Al-Zn-Mg-Cu軋制板的熱處理進(jìn)行了測(cè)試和模擬，發(fā)現(xiàn)熱處理后伸長(zhǎng)率明顯下降，水冷試樣的拉伸強(qiáng)度增加，但伸長(zhǎng)率較弱。

Wei等人（2020）比較了不同時(shí)效處理對(duì)噴霧沉積法制備的Al-Zn-Mg-Cu組分性能的影響，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率受到影響。Xie等人（2019）對(duì)鍛造Al-Zn-Mg-Cu進(jìn)行了不同的熱處理，并報(bào)告說(shuō)，通過(guò)T6熱處理，拉伸強(qiáng)度增加到678 MPa，但伸長(zhǎng)率僅為9%。在Wang等人，2020a，Wang等人，2020b中，對(duì)壓鑄Al-Zn-Mg-Cu進(jìn)行非等溫時(shí)效熱處理以提高強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率?？估瓘?qiáng)度提高到680 MPa，但伸長(zhǎng)率僅為9.76%。強(qiáng)度-伸長(zhǎng)率的權(quán)衡也對(duì)金屬材料的強(qiáng)化提出了很大的挑戰(zhàn)。

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

然而，晶粒細(xì)化對(duì)拉伸強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。Martin et al. （2017） 添加了 ZrH2在激光增材制造過(guò)程中，顆粒轉(zhuǎn)化為Al-Zn-Mg-Cu合金，由于柱狀晶體轉(zhuǎn)化為等軸晶體，從而獲得高機(jī)械性能，從而減少了內(nèi)部缺陷并改善了伸長(zhǎng)率。然而，拉伸強(qiáng)度的改善并不顯著。Wang等人（2019）報(bào)道，通過(guò)添加Ti粉，Al-Mg合金電弧添加劑沉積的晶粒尺寸得到細(xì)化，性能得到改善。

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

因此，獲得了高強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，而無(wú)需進(jìn)行強(qiáng)度- 延展性權(quán)衡。相關(guān)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

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0924013622001777

圖 1.WAAM沉積過(guò)程和采樣位置。

圖 2.熱處理和TiN顆粒對(duì)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。

圖 3.（a）晶粒形貌，（b）晶粒比例和晶粒尺寸變化趨勢(shì)的電子反向散射衍射結(jié)果;（c） 晶粒形態(tài)，（d） TiN沉積的晶粒尺寸比例和變化趨勢(shì);（e） 晶粒形態(tài)，（f） T6沉積晶粒尺寸的比例和變化趨勢(shì);（g）TiN+T6沉積的晶粒形態(tài)，（h）晶粒尺寸的比例和變化趨勢(shì)。

圖 4.（a） 沉積的紋理強(qiáng)度;（b） 鈦沉積;（c） T6 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

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(jié)構(gòu)和（f）沉淀。

圖 6.（a） 作為沉積的X射線衍射結(jié)果;（b） 鈦沉積;（c） T6 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

圖 7.（a） 作為沉積的元素富集;（b） 鈦沉積;（c） T6沉積。

圖 8.鋁鋅鎂銅沉積的水平和垂直拉伸強(qiáng)度。

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。

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。

圖 11.細(xì)晶強(qiáng)化和各向異性的增強(qiáng)機(jī)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(jié)論：本研究旨在同時(shí)提高Al-Zn-Mg-Cu合金線材電弧添加劑沉積的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。通過(guò)復(fù)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(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。基于微觀結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能測(cè)試，全面研究了微觀結(jié)構(gòu)演化與力學(xué)性能的相關(guān)性。結(jié)論總結(jié)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(guò)程，增加了非均相成核位點(diǎn)。沉積的晶粒形態(tài)從柱狀晶體完全轉(zhuǎn)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(jī)，織構(gòu)強(qiáng)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(jìn)。

(2)復(fù)合材料加工后的沉積顯示出優(yōu)異的機(jī)械性能。沉積物的水平和垂直伸長(zhǎng)率分別達(dá)到10.9±1.0%和13.4±0.3%，分別比沉積層高165.9%和103.0%。細(xì)晶粒強(qiáng)化是提高伸長(zhǎng)率的主要機(jī)理。

(3)沉積層的水平和垂直抗拉強(qiáng)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(qiáng)化是強(qiáng)化實(shí)力的主要機(jī)理。由于微觀結(jié)構(gòu)的改變，沉積的各向異性降低。

(4)Al-Zn-Mg-Cu合金經(jīng)過(guò)復(fù)合加工后的線弧添加劑沉積，達(dá)到了商用AA7050的性能水平，可作為其工業(yè)應(yīng)用的寶貴指導(dǎo)。

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)論：本研究采用電弧增材制造技術(shù)成功制備了具有高強(qiáng)度和延展性的Al-Zn-Mg-Cu合金。創(chuàng)新地研究了復(fù)合加工（非均相顆粒和熱處理）對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金電弧增材制造沉積的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。

經(jīng)過(guò)復(fù)合處理，沉積的晶粒形貌成功地從粗柱狀晶體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿牡容S晶體，極大地促進(jìn)了納米沉淀相的析出。深入研究了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響。由于微觀結(jié)構(gòu)的改變，材料的抗拉強(qiáng)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(zhǎng)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(fù)合加工不僅促進(jìn)了強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的同時(shí)增加，而且大大提高了沉積的各向異性。細(xì)晶粒強(qiáng)化是提高伸長(zhǎng)率的主要機(jī)理。降水強(qiáng)化是強(qiáng)化實(shí)力的主要機(jī)理。本研究可為提高線弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率提供理論指導(dǎo)，從而促進(jìn)工程應(yīng)用。

由于其優(yōu)異的機(jī)械性能，高比強(qiáng)度和疲勞韌性，Al-Zn-Mg-Cu合金廣泛用于航空航天應(yīng)用的復(fù)雜，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件，例如飛機(jī)機(jī)身和翼肋。然而，在DebRoy等人（2018）的研究中，大型和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件仍然通過(guò)減少制造來(lái)制造，導(dǎo)致材料浪費(fèi)，加工周期長(zhǎng)以及對(duì)加工工具的嚴(yán)格要求。

因此，升級(jí)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(shè)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(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。

Wang等人（2017）指出，本實(shí)用新型大大提高了材料利用率，特別適用于大型復(fù)雜飛機(jī)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(guò)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(jī)械性能不能滿足要求。Klein等人，2021a，Klein等人，2021b通過(guò)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(bào)道，Al-Zn-Mg-Cu線材助劑沉積部件采用冷金屬傳遞脈沖先進(jìn)（CMT-PADV）技術(shù)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(qiáng)化方法導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度的單方面提高;然而，同時(shí)強(qiáng)度和伸長(zhǎng)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(jī)械強(qiáng)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(guò)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(duì)含有微量元素的鑄Al-Zn-Mg-Cu進(jìn)行了固溶熱處理，Al-WAAM沉積層的拉伸強(qiáng)度增加了約70 MPa，伸長(zhǎng)率降低。Moon等人（2021）對(duì)三種不同冷卻條件下Al-Zn-Mg-Cu軋制板的熱處理進(jìn)行了測(cè)試和模擬，發(fā)現(xiàn)熱處理后伸長(zhǎng)率明顯下降，水冷試樣的拉伸強(qiáng)度增加，但伸長(zhǎng)率較弱。

Wei等人（2020）比較了不同時(shí)效處理對(duì)噴霧沉積法制備的Al-Zn-Mg-Cu組分性能的影響，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率受到影響。Xie等人（2019）對(duì)鍛造Al-Zn-Mg-Cu進(jìn)行了不同的熱處理，并報(bào)告說(shuō)，通過(guò)T6熱處理，拉伸強(qiáng)度增加到678 MPa，但伸長(zhǎng)率僅為9%。在Wang等人，2020a，Wang等人，2020b中，對(duì)壓鑄Al-Zn-Mg-Cu進(jìn)行非等溫時(shí)效熱處理以提高強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率?？估瓘?qiáng)度提高到680 MPa，但伸長(zhǎng)率僅為9.76%。強(qiáng)度-伸長(zhǎng)率的權(quán)衡也對(duì)金屬材料的強(qiáng)化提出了很大的挑戰(zhàn)。

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

然而，晶粒細(xì)化對(duì)拉伸強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。Martin et al. （2017） 添加了 ZrH2在激光增材制造過(guò)程中，顆粒轉(zhuǎn)化為Al-Zn-Mg-Cu合金，由于柱狀晶體轉(zhuǎn)化為等軸晶體，從而獲得高機(jī)械性能，從而減少了內(nèi)部缺陷并改善了伸長(zhǎng)率。然而，拉伸強(qiáng)度的改善并不顯著。Wang等人（2019）報(bào)道，通過(guò)添加Ti粉，Al-Mg合金電弧添加劑沉積的晶粒尺寸得到細(xì)化，性能得到改善。

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

因此，獲得了高強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，而無(wú)需進(jìn)行強(qiáng)度- 延展性權(quán)衡。相關(guān)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

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0924013622001777

圖 1.WAAM沉積過(guò)程和采樣位置。

圖 2.熱處理和TiN顆粒對(duì)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。

圖 3.（a）晶粒形貌，（b）晶粒比例和晶粒尺寸變化趨勢(shì)的電子反向散射衍射結(jié)果;（c） 晶粒形態(tài)，（d） TiN沉積的晶粒尺寸比例和變化趨勢(shì);（e） 晶粒形態(tài)，（f） T6沉積晶粒尺寸的比例和變化趨勢(shì);（g）TiN+T6沉積的晶粒形態(tài)，（h）晶粒尺寸的比例和變化趨勢(shì)。

圖 4.（a） 沉積的紋理強(qiáng)度;（b） 鈦沉積;（c） T6 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

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(jié)構(gòu)和（f）沉淀。

圖 6.（a） 作為沉積的X射線衍射結(jié)果;（b） 鈦沉積;（c） T6 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

圖 7.（a） 作為沉積的元素富集;（b） 鈦沉積;（c） T6沉積。

圖 8.鋁鋅鎂銅沉積的水平和垂直拉伸強(qiáng)度。

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。

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。

圖 11.細(xì)晶強(qiáng)化和各向異性的增強(qiáng)機(jī)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(jié)論：本研究旨在同時(shí)提高Al-Zn-Mg-Cu合金線材電弧添加劑沉積的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。通過(guò)復(fù)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(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。基于微觀結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能測(cè)試，全面研究了微觀結(jié)構(gòu)演化與力學(xué)性能的相關(guān)性。結(jié)論總結(jié)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(guò)程，增加了非均相成核位點(diǎn)。沉積的晶粒形態(tài)從柱狀晶體完全轉(zhuǎn)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(jī)，織構(gòu)強(qiáng)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(jìn)。

(2)復(fù)合材料加工后的沉積顯示出優(yōu)異的機(jī)械性能。沉積物的水平和垂直伸長(zhǎng)率分別達(dá)到10.9±1.0%和13.4±0.3%，分別比沉積層高165.9%和103.0%。細(xì)晶粒強(qiáng)化是提高伸長(zhǎng)率的主要機(jī)理。

(3)沉積層的水平和垂直抗拉強(qiáng)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(qiáng)化是強(qiáng)化實(shí)力的主要機(jī)理。由于微觀結(jié)構(gòu)的改變，沉積的各向異性降低。

(4)Al-Zn-Mg-Cu合金經(jīng)過(guò)復(fù)合加工后的線弧添加劑沉積，達(dá)到了商用AA7050的性能水平，可作為其工業(yè)應(yīng)用的寶貴指導(dǎo)。

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)