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西工大頂刊發(fā)文：增材制造高強(qiáng)韌鋁合金 異質(zhì)微觀組織+多種強(qiáng)化機(jī)制！
專欄：行業(yè)資訊
發(fā)布日期：2022-07-07
閱讀量：2172
作者：新材料在線
增材制造技術(shù)特有的全數(shù)字化、高柔性以及對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件快速近凈成形的優(yōu)勢(shì)，在近30年來得到了快速發(fā)展，而激光粉末床熔融 (L-PBF)技術(shù)則是快速制造復(fù)雜精密金屬零件的主要途徑。鋁合金作為一種有前途的高強(qiáng)度和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料而備受關(guān)注。然而，將基于傳統(tǒng)鑄造或鍛造工藝開發(fā)的鋁合金直接用于L-PBF會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)，如強(qiáng)度不足、易開裂、孔隙率較高等等。因此，開發(fā)一種適應(yīng)L-PBF工藝的新型鋁合金，使其具有較高的成形特性并兼具優(yōu)良的機(jī)械性能成為目前金屬增材制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近日，西北工業(yè)大學(xué)金屬高性能增材制造研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合比利時(shí)荷語魯汶大學(xué)成功制備了一種適用于L-PBF技術(shù)的新型Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金。該合金在L-PBF快速凝固時(shí)，在熔池邊界形成立方體狀的初生Al3(Sc,Zr,Hf)-L12顆粒，其中Zr、Sc和Hf的元素分布均勻。后續(xù)直接時(shí)效熱處理促進(jìn)了大量納米/亞微米尺寸棒狀A(yù)l6Mn沉淀物和少量球形Al3(Sc,Zr,Hf)納米顆粒的析出。Zr/Sc/Hf改性的Al-Mn-Mg合金表現(xiàn)出中等的加工硬化能力以及強(qiáng)度和韌性的良好匹配。相關(guān)工作以“Development of a high strength Zr/Sc/Hf-modified Al-Mn-Mg alloy using Laser Powder Bed Fusion: design of a heterogeneous microstructure incorporating synergistic multiple strengthening mechanisms”為題在增材制造領(lǐng)域頂刊Additive Manufacturing上發(fā)表。論文第一作者為西北工業(yè)大學(xué)李秋歌副研究員，西北工業(yè)大學(xué)林鑫教授和比利時(shí)魯汶大學(xué)李桂川博士為共同通訊作者，西北工業(yè)大學(xué)為第一通訊單位。
圖1 (a) Al3(Sc,Zr,Hf) (c) Al6Mn和(e) Al12Mg17的HAADF-STEM圖像, (b) (a)中選定區(qū)域的HRTEM圖像和插入圖像顯示Al3(Sc,Zr,Hf)相的FFT模式, (d) Al6Mn和(f) Al12Mg17對(duì)應(yīng)的FFT譜圖,(e)中插入的圖像為放大的Al12Mg17的原子排列根據(jù)圖1中的HRTEM圖像測(cè)量它們的晶格平面距離，確定Al3(Sc,Zr,Hf)和α-Al相的晶格參數(shù)分別為0.4044±0.009和0.4037±0.006 nm，具有低至0.2%的晶格錯(cuò)配度。析出相與基體極小的晶格失配導(dǎo)致與α-Al基體具有良好的共格性，保證了極佳的析出強(qiáng)化和有效抵抗奧斯特瓦爾德熟化效果。在晶粒內(nèi)部和晶界處存在富Mn相顆粒，由HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的FFT譜圖確定，這些富Mn相是初生Al6Mn相。Mg在晶界和胞界也表現(xiàn)出輕微的偏析傾向，可以觀察到少量Al12Mg17相。圖2 Zr/Sc/ Hf改性Al-Mn-Mg合金在325℃時(shí)效10h后的顯微組織和XRD譜圖時(shí)效過程中沒有發(fā)生明顯的晶粒長(zhǎng)大且時(shí)效后大量棒狀析出相均勻分散在合金中，是亞微米級(jí)的Al6Mn析出相。還觀察到少量球形的Al3(Sc,Zr,Hf)-L12納米沉淀物，這些納米沉淀物的數(shù)量密度較低，粒徑較小(2.9±1.2 nm)，Zr, Sc和Hf沒有明顯的偏析，可能與合金中Sc含量較低(0.19 wt%)以及Zr和Hf在鋁合金中的緩慢擴(kuò)散有關(guān)。Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金的沉積態(tài)試樣屈服強(qiáng)度為438±3 MPa，抗拉強(qiáng)度為504±2 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為10.9±1.4%。在325℃直接時(shí)效熱處理10h后，合金的屈服強(qiáng)度提高到了487±2 MPa, 抗拉強(qiáng)度提高到了542±3 MPa，斷后伸長(zhǎng)率略有降低，為7.4±0.7%。此外，真應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明，該合金在沉積態(tài)和熱處理?xiàng)l件下均表現(xiàn)出中等的加工硬化能力，為93~113 MPa。該合金的綜合力學(xué)性能優(yōu)于大多數(shù)L-PBF加工的Al-Si(Mg)合金、2xxx、7xxx及Al-Mg-Sc-Zr系列鋁合金和一些鍛造2024鋁合金，并可與高強(qiáng)度鍛造7075鋁合金相媲美。圖3(a) Zr/Sc/ Hf改性Al-Mn-Mg合金在沉積態(tài)和熱處理態(tài)的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(b)真拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線, (c)與2024,7075鍛造鋁合金和L-PBF制備的2xxx, 7xxx系列合金、Al-Si (Mg)和Al-Mg-Zr-Sc合金的拉伸性能比較在Al-Mn-Mg合金中引入過渡元素Zr、Sc和Hf的原因之一是引入雙態(tài)微觀組織。由于L-PBF過程中復(fù)雜的激光-物質(zhì)相互作用和熱傳遞，單個(gè)熔池在溫度梯度、固/液界面的凝固速率和最終冷卻速率方面存在差異。對(duì)L-PBF過程的多物理場(chǎng)有限元模擬表明，在熔池邊界處，凝固速率和冷卻速率較低，并且朝著熔池中心不斷增加。這導(dǎo)致在熔池邊界優(yōu)先形成初生Al3(Sc,Zr,Hf)相，從而導(dǎo)致明顯的雙態(tài)微觀組織，在熔池中心形成柱狀晶粒，在熔池邊界形成等軸晶粒。圖4(a)和(b)顯示了實(shí)驗(yàn)觀察到的微結(jié)構(gòu)的形成, (c)計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)的初生Al3(Sc，Zr，Hf)-L12和α-Al相的形核時(shí)間, 兩條冷卻曲線代表熔池中心(MPC)和熔池邊界(MPB), (d)當(dāng)存在初生Al3(Sc,Zr,Hf)-L12相形成時(shí)顯示等軸晶粒的MPB和當(dāng)Zr, Sc和Hf被限制在α-Al中時(shí)柱狀晶粒的MPC之間的兩個(gè)不同區(qū)域材料優(yōu)異的力學(xué)性能歸因于多種強(qiáng)化機(jī)制，包括晶界強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化等。然而，由于溶質(zhì)原子的位錯(cuò)釘扎和細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)中缺乏可動(dòng)位錯(cuò)，一些高強(qiáng)鋁合金的加工硬化能力非常有限。加工硬化與位錯(cuò)的積累和變形材料中位錯(cuò)密度的增加有關(guān)。非均勻微觀組織可以通過產(chǎn)生額外的幾何必要位錯(cuò)來產(chǎn)生前所未有的加工硬化能力。由于熔池中凝固參數(shù)的局部變化，L-PBF提供有利條件來形成局部獨(dú)特的異質(zhì)微觀組織。本研究工作開發(fā)的該種新型鋁合金，既具有良好的L-PBF加工性能，又不存在凝固裂紋或明顯的氣孔，同時(shí)兼具高強(qiáng)度和延展性以及中等的加工硬化能力。所提出的合金設(shè)計(jì)策略可以為工程應(yīng)用高強(qiáng)度鋁合金的開發(fā)提供指導(dǎo)。
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