北京工业大学:增材制造高强度和高延展性的Al-Zn-Mg-Cu合金 

3D打印技术 /[科研]
发布时间: 2022-07-13 06:58
导论:本研究采用电弧增材制造技术成功制备了具有高强度和延展性的Al-Zn-Mg-Cu合金。创新地研究了复合加工(非均相颗粒和热处理)对Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材制造沉积的微观结构和力学性能的影响。

经过复合处理,沉积的晶粒形貌成功地从粗柱状晶体转变为致密的等轴晶体,极大地促进了纳米沉淀相的析出。深入研究了微观结构对力学性能的影响。由于微观结构的改变,材料的抗拉强度从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),伸长率从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),硬度也从117.9 HV增加到197.9 HV。

最后,研究表明,复合加工不仅促进了强度和伸长率的同时增加,而且大大提高了沉积的各向异性。细晶粒强化是提高伸长率的主要机理。降水强化是强化实力的主要机理。本研究可为提高线弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的强度和伸长率提供理论指导,从而促进工程应用。

由于其优异的机械性能,高比强度和疲劳韧性,Al-Zn-Mg-Cu合金广泛用于航空航天应用的复杂,轻质结构部件,例如飞机机身和翼肋。然而,在DebRoy等人(2018)的研究中,大型和复杂的结构零件仍然通过减少制造来制造,导致材料浪费,加工周期长以及对加工工具的严格要求。

因此,升级和创新传统制造迫在眉睫。线弧增材制造(WAAM)使用连续的“线”作为基本配置单元,零件尺寸不受成型缸设备和真空室尺寸的限制。Wu等人(2018)的研究发现,这可以“自由制造”复杂结构零件。

Wang等人(2017)指出,本实用新型大大提高了材料利用率,特别适用于大型复杂飞机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)发现,由于高温电弧源在熔池的自由凝固过程中形成松散的粗晶粒和缺陷,例如孔隙和裂缝。

因此,沉积铝合金的机械性能不能满足要求。Klein等人,2021a,Klein等人,2021b通过使用定制焊丝改善了Al-Zn-Mg-Cu合金WAAM沉积部件的性能,但性能提升很小。Morais等人(2020)报道,Al-Zn-Mg-Cu线材助剂沉积部件采用冷金属传递脉冲先进(CMT-PADV)技术制造,发现虽然沉积部件的性能有所提高,但仍存在缺陷。常用的材料强化方法导致拉伸强度的单方面提高;然而,同时强度和伸长率的改善受到限制。

Al-Zn-Mg-Cu合金是可热处理的,这是主要的机械强化方法之一。Klein等人,2021a,Klein等人,2021b发现,热处理显著提高了通过WAAM制备的Al-Zn-Mg-Cu的硬度,但综合性能较弱。Wang等人,2020a,Wang等人,2020b对含有微量元素的铸Al-Zn-Mg-Cu进行了固溶热处理,Al-WAAM沉积层的拉伸强度增加了约70 MPa,伸长率降低。Moon等人(2021)对三种不同冷却条件下Al-Zn-Mg-Cu轧制板的热处理进行了测试和模拟,发现热处理后伸长率明显下降,水冷试样的拉伸强度增加,但伸长率较弱。

Wei等人(2020)比较了不同时效处理对喷雾沉积法制备的Al-Zn-Mg-Cu组分性能的影响,发现强度和伸长率受到影响。Xie等人(2019)对锻造Al-Zn-Mg-Cu进行了不同的热处理,并报告说,通过T6热处理,拉伸强度增加到678 MPa,但伸长率仅为9%。在Wang等人,2020a,Wang等人,2020b中,对压铸Al-Zn-Mg-Cu进行非等温时效热处理以提高强度和伸长率。抗拉强度提高到680 MPa,但伸长率仅为9.76%。强度-伸长率的权衡也对金属材料的强化提出了很大的挑战。

对晶粒细化方法的研究为提高铝合金伸长率提供了有用的信息。Yang等人(2019)提出,在热挤压成型过程中加入TiC颗粒,对Al-Cu-Mg合金中的晶粒进行精炼,从而降低了应力集中并增加了伸长率。

然而,晶粒细化对拉伸强度几乎没有影响。Martin et al. (2017) 添加了 ZrH2在激光增材制造过程中,颗粒转化为Al-Zn-Mg-Cu合金,由于柱状晶体转化为等轴晶体,从而获得高机械性能,从而减少了内部缺陷并改善了伸长率。然而,拉伸强度的改善并不显著。Wang等人(2019)报道,通过添加Ti粉,Al-Mg合金电弧添加剂沉积的晶粒尺寸得到细化,性能得到改善。

提高拉伸强度同时提高伸长率的方法已成为铝合金的紧迫研究重点。在这里,北京工业大学Xuelei Ren等人基于WAAM特性和Al-Zn-Mg-Cu合金的机械性能进行了复合加工方法。最初,在WAAM期间通过添加非均相颗粒来精炼基质颗粒。然后,热处理增加了沉积部件的抗拉强度。

因此,获得了高强度和伸长率,而无需进行强度- 延展性权衡。相关研究以题“Microstructure and properties research of Al-Zn-Mg-Cu alloy with high strength and high elongation fabricated by wire arc additive manufacturing”发表在Journal of Materials processing Technology上
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图 1.WAAM沉积过程和采样位置。
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图 2.热处理和TiN颗粒对晶粒形态的影响(a)沉积;(b) T6沉积;(c) TiN 沉积和 (d) TiN+T6 沉积。
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图 3.(a)晶粒形貌,(b)晶粒比例和晶粒尺寸变化趋势的电子反向散射衍射结果;(c) 晶粒形态,(d) TiN沉积的晶粒尺寸比例和变化趋势;(e) 晶粒形态,(f) T6沉积晶粒尺寸的比例和变化趋势;(g)TiN+T6沉积的晶粒形态,(h)晶粒尺寸的比例和变化趋势。
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图 4.(a) 沉积的纹理强度;(b) 钛沉积;(c) T6 沉积和 (d) TiN+T6 沉积。
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图 5.(a) 沉积的扫描电子显微照片;(b) 钛沉积;(c) T6沉积;(d) TiN+T6沉积;(e)共晶结构和(f)沉淀。
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图 6.(a) 作为沉积的X射线衍射结果;(b) 钛沉积;(c) T6 沉积和 (d) TiN+T6 沉积。
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图 7.(a) 作为沉积的元素富集;(b) 钛沉积;(c) T6沉积。
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图 8.铝锌镁铜沉积的水平和垂直拉伸强度。
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图 9.透射电子显微镜沿[110]铝方向。(a) 相,(b) BOX 1 的快速傅里叶变换 (FFT) 衍射图和 (c) 的晶格参数模式;(d) 吉尼尔-普雷斯顿区,(e) BOX 2的FFT衍射图和(f) GP区的晶格参数模式。
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图 10.透射电子显微镜沿[110]铝(a) 作为沉积的方向;(b) TiN-沉积;(c) T6 沉积和 (d) TiN+T6 沉积。
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图 11.细晶强化和各向异性的增强机理示意图.(a)水平和(b)垂直方向的沉积;TiN在(c)水平方向和(d)垂直方向上的沉积。

结论:本研究旨在同时提高Al-Zn-Mg-Cu合金线材电弧添加剂沉积的强度和伸长率。通过复合加工(非均相颗粒和热处理)成功地改善了沉积物的微观结构和力学性能。基于微观结构表征和力学性能测试,全面研究了微观结构演化与力学性能的相关性。结论总结如下:

(1)在非均相颗粒处理阶段,TiN颗粒改善了沉积的自由凝固过程,增加了非均相成核位点。沉积的晶粒形态从柱状晶体完全转变为等轴晶体。晶粒尺寸从692.6 μm减小到89.2 μm,高角度晶界比例增加,晶粒取向更加随机,织构强度降低。在热处理阶段,沉积中元素的偏析减弱,沉积中纳米沉淀相的析出大大促进。

(2)复合材料加工后的沉积显示出优异的机械性能。沉积物的水平和垂直伸长率分别达到10.9±1.0%和13.4±0.3%,分别比沉积层高165.9%和103.0%。细晶粒强化是提高伸长率的主要机理。

(3)沉积层的水平和垂直抗拉强度分别为503.6±10.1 MPa和501.2±10.0 MPa,分别比沉积层高143.5%和95.6%。维氏硬度平均从117.9 HV增加到197.9 HV。降水强化是强化实力的主要机理。由于微观结构的改变,沉积的各向异性降低。

(4)Al-Zn-Mg-Cu合金经过复合加工后的线弧添加剂沉积,达到了商用AA7050的性能水平,可作为其工业应用的宝贵指导。

来源:材料学网
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