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西工大頂刊發(fā)文：增材制造高強韌鋁合金 異質(zhì)微觀組織+多種強化機制！
專欄：行業(yè)資訊
發(fā)布日期：2022-07-07
閱讀量：1980
作者：新材料在線
增材制造技術特有的全數(shù)字化、高柔性以及對于復雜構件快速近凈成形的優(yōu)勢，在近30年來得到了快速發(fā)展，而激光粉末床熔融 (L-PBF)技術則是快速制造復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度和輕質(zhì)結構材料而備受關注。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會面臨許多挑戰(zhàn)，如強度不足、易開裂、孔隙率較高等等。因此，開發(fā)一種適應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)良的機械性能成為目前金屬增材制造領域的研究熱點。近日，西北工業(yè)大學金屬高性能增材制造研究團隊聯(lián)合比利時荷語魯汶大學成功制備了一種適用于L-PBF技術的新型Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金。該合金在L-PBF快速凝固時，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)直接時效熱處理促進了大量納米/亞微米尺寸棒狀Al6Mn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度和韌性的良好匹配。相關工作以“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”為題在增材制造領域頂刊Additive Manufacturing上發(fā)表。論文第一作者為西北工業(yè)大學李秋歌副研究員，西北工業(yè)大學林鑫教授和比利時魯汶大學李桂川博士為共同通訊作者，西北工業(yè)大學為第一通訊單位。
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對應的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%的晶格錯配度。析出相與基體極小的晶格失配導致與α-Al基體具有良好的共格性，保證了極佳的析出強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℃時效10h后的顯微組織和XRD譜圖時效過程中沒有發(fā)生明顯的晶粒長大且時效后大量棒狀析出相均勻分散在合金中，是亞微米級的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散有關。Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金的沉積態(tài)試樣屈服強度為438±3 MPa，抗拉強度為504±2 MPa，斷后伸長率為10.9±1.4%。在325℃直接時效熱處理10h后，合金的屈服強度提高到了487±2 MPa, 抗拉強度提高到了542±3 MPa，斷后伸長率略有降低，為7.4±0.7%。此外，真應力-應變曲線表明，該合金在沉積態(tài)和熱處理條件下均表現(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)的工程拉伸應力-應變曲線和(b)真拉伸應力-應變曲線, (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過程中復雜的激光-物質(zhì)相互作用和熱傳遞，單個熔池在溫度梯度、固/液界面的凝固速率和最終冷卻速率方面存在差異。對L-PBF過程的多物理場有限元模擬表明，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。這導致在熔池邊界優(yōu)先形成初生Al3(Sc,Zr,Hf)相，從而導致明顯的雙態(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)顯示了實驗觀察到的微結構的形成, (c)計算競爭的初生Al3(Sc，Zr，Hf)-L12和α-Al相的形核時間, 兩條冷卻曲線代表熔池中心(MPC)和熔池邊界(MPB), (d)當存在初生Al3(Sc,Zr,Hf)-L12相形成時顯示等軸晶粒的MPB和當Zr, Sc和Hf被限制在α-Al中時柱狀晶粒的MPC之間的兩個不同區(qū)域材料優(yōu)異的力學性能歸因于多種強化機制，包括晶界強化、固溶強化、沉淀強化、位錯強化等。然而，由于溶質(zhì)原子的位錯釘扎和細晶粒結構中缺乏可動位錯，一些高強鋁合金的加工硬化能力非常有限。加工硬化與位錯的積累和變形材料中位錯密度的增加有關。非均勻微觀組織可以通過產(chǎn)生額外的幾何必要位錯來產(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，同時兼具高強度和延展性以及中等的加工硬化能力。所提出的合金設計策略可以為工程應用高強度鋁合金的開發(fā)提供指導。
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