我國(guó)學(xué)者實(shí)現(xiàn)了采用SLM技術(shù)制造Al-Cu-Mg合金的Ti改性技術(shù)的新穎制造,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋的制備,同時(shí)基于熱動(dòng)力學(xué)的模擬技術(shù)模擬了裂紋的敏感性指數(shù)和生長(zhǎng)-限制指數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)在Al-Cu-Mg合金中引入Ti進(jìn)行改性可以有效的促進(jìn)晶粒細(xì)化和柱狀晶向等軸晶的過(guò)渡,其原因是Al3Ti的析出相的非均勻形核造成的。在Ti 改性后,由于均勻的形成和細(xì)小的等軸晶的顯微組織,可以排除熱裂紋的形成。我們?cè)赥i改性之后,得到的這一合金的拉伸強(qiáng)度可以高達(dá)426.4MPa,屈服強(qiáng)度可以達(dá)到293.2MPa,韌性為9.1%。這一新穎的Ti改性Al合金所具有的細(xì)小的等軸晶晶粒和得到提高的機(jī)械性能為采用SLM技術(shù)打印輕質(zhì)材料提供了一個(gè)新的成分空間。
圖 1 SLM制造的鋁合金的3D金相組織圖:(a)Al-Cu-Mg 合金;(b)Ti/Al-Cu-Mg 合金,(Z表示的是制造方向)
SLM作為一種激光增材制造技術(shù),為制造金屬部件,尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬部件的制造,提供了無(wú)盡的機(jī)會(huì)。鋁合金由于具有高比強(qiáng)度,耐蝕性和低的制造成本而廣泛的應(yīng)用在工業(yè)中。在當(dāng)前,大多數(shù)采用SLM技術(shù)進(jìn)行制造的鋁合金都取材于現(xiàn)有的鋁合金,而現(xiàn)有的鋁合金一般是為鑄造或鍛造所設(shè)計(jì)的,這一設(shè)計(jì)理念對(duì)于SLM工藝來(lái)說(shuō)所具有的兼容性和SLM所具有的極端快速的凝固特性是不適應(yīng)的。
圖2 SLM制造的Al-Cu-Mg合金的顯微組織:(a) 橫截面的SEM組織;(b) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的TEM明場(chǎng)像; (c) Al, Mg 和Cu元素的EDS面分布圖; (d) Al2Cu復(fù)合相的TEM照片; (e) Al2Cu和α-Al基材之間界面處的HRTEM照片及其相應(yīng)的FFT模式
在當(dāng)前,大多數(shù)的關(guān)于SLM制造鋁合金的研究局限在Al-Si系列鑄造合金的制備上,如AlSi10Mg和AlSi12。這些鑄造的Al-Si合金的近共晶成分具有一個(gè)非常窄的凝固溫度范圍,從而極大的減少了在激光增材制造的過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)。SLM制造AlSi10Mg 和AlSi12部件,據(jù)報(bào)道幾乎是完全致密的和由于晶粒的細(xì)化和獨(dú)特的介觀結(jié)構(gòu)而具有中等的強(qiáng)度。盡管上述Al-Si鑄造合金在SLM進(jìn)行制造的時(shí)候也具有優(yōu)異的成形性能。
但卻不能替代變形鋁合金,因?yàn)樽冃武X合金具有優(yōu)異的機(jī)械性能,即高強(qiáng)系列的7000系合金和具有較好熱抗力的2000系合金。然而,增材制造現(xiàn)有的變形鋁合金經(jīng)常伴隨著柱狀晶的存在和嚴(yán)重的熱裂紋傾向,這是因?yàn)樵霾闹圃爝^(guò)程中的快速冷卻速率和SLM所造成的巨大的溫度梯度的原因。許多人嘗試采用工藝參數(shù)優(yōu)化的辦法來(lái)SLM制造高性能的變形鋁合金,如現(xiàn)有的6061系的Al-Mg-Si合金和7075(Al-Zn-Mg-Mg) 鋁合金,但大多數(shù)都沒(méi)能消除熱裂紋傾向。Zhang等人采用SLM技術(shù)成功的制造了無(wú)裂紋的高強(qiáng)度的Al-Cu-Mg合金。
比較遺憾的是,該制造過(guò)程依然經(jīng)受著裂紋敏感性的問(wèn)題,這是因?yàn)楣に嚧翱诒容^窄以及柱狀晶的生長(zhǎng)問(wèn)題。SLM工藝在快速熔化和冷卻過(guò)程中的非平衡凝固是非常關(guān)鍵的。只有當(dāng)成分符合SLM的動(dòng)力學(xué)冶金特征的時(shí)候,才能成功的采用SLM技術(shù)進(jìn)行制造。因此,非常有必要發(fā)展改性成分的時(shí)候SLM技術(shù)進(jìn)行制造的特定鋁合金。
圖3 SLM制造的合金的側(cè)視圖的EBSD方位圖:(a) Al-Cu-Mg和 (b) Ti/Al-Cu-Mg 樣品; (c) 晶粒尺寸的分布,極圖表面SLM制造的合金的方位 (d) Al-Cu-Mg 和 (e) Ti/Al-Cu-Mg合金; 以及合金樣品的錯(cuò)位角度的分布 (f) Al-Cu-Mg 和 (g) Ti/Al-Cu-Mg樣品.
休斯實(shí)驗(yàn)室(HRL,Hughes Research Laboratory )的研究顯示激光增材制造的無(wú)裂紋鋁合金可以通過(guò)引入額外的孕育劑來(lái)控制凝固。鋁合金粉末涂敷上ZrH2納米顆粒的時(shí)候,可以采用SLM技術(shù)成功的制備出無(wú)裂紋的6061和7075鋁合金,這是因?yàn)樵恍纬傻腁l3Zr顆粒的非均勻形核造成的。這一Zr/Sc改性的辦法提供了一個(gè)制造無(wú)裂紋鋁合金的參考。2Wt%的Zr改性的Al2024合金,據(jù)報(bào)道可以獲得無(wú)裂紋的合金,其極限拉伸強(qiáng)度為大約450MPa。
然而,其失效時(shí)的斷面收縮率從6%降低到大約3%,這是因?yàn)樾纬闪藰O端脆性的Al3Zr金屬間化合物。當(dāng)Zr含量降低到0.6wt%的時(shí)候,Zr改性的Al 2024合金呈現(xiàn)出其韌性超過(guò)11%,其強(qiáng)度達(dá)到495MPa。Zr/Sc改性的Al-Mg合金和Al-Mn合金在采用SLM進(jìn)行制造的時(shí)候,呈現(xiàn)出高強(qiáng)度和高韌性,此時(shí)為低含量的Zr/Sc添加量。然而,低含量的Zr/Sc添加會(huì)導(dǎo)致孕育的不充分的非均勻形核和晶粒細(xì)化不充分,從而造成熱裂紋敏感性的傾向降低不明顯。因此,為了解決高的裂紋生成傾向性和SLM制造時(shí)柱狀晶的形成問(wèn)題,新的材料成分設(shè)計(jì)以進(jìn)一步的開(kāi)拓以拓展SLM進(jìn)行打印的材料范圍。
圖4 形成細(xì)小的等軸晶的 Ti/Al-Cu-Mg的示意圖
在當(dāng)今的2000系列的鋁合金當(dāng)中,如2024 (Al-4.3Cu-1.5Mg-0.6Mn)和 2014 (Al-4.3Cu-0.5Mg-0.8Si-0.8Mn)合金,在100 °C以下具有優(yōu)異的機(jī)械性能。耐熱鋁合金也應(yīng)用在高溫場(chǎng)合,這一場(chǎng)合應(yīng)用具有較低的Cu含量。然而,鋁合金中的Cu含量較低的時(shí)候,如大約為2Wt%的時(shí)候,在凝固的過(guò)程中具有較大的裂紋傾向。在傳統(tǒng)的鑄造鋁合金中,融合Ti是一種常見(jiàn)的辦法來(lái)促進(jìn)晶粒的細(xì)化。SLM工藝被認(rèn)為是一種微小區(qū)域的鑄造過(guò)程。
此外,Ti元素來(lái)替代稀土元素進(jìn)行晶粒細(xì)化,就比稀土擁有更多的資源實(shí)現(xiàn)這一目的,同時(shí)Ti還比較便宜。引入Ti到鋁合金中被認(rèn)為是一種潛在的減少SLM制造過(guò)程中的鋁合金裂紋的辦法。Ti引入后對(duì)SLM制造鋁合金所產(chǎn)生的顯微組織和機(jī)械性能的影響還很少見(jiàn)到研究。因此,本文研究Ti改性的 Al–2.25Cu-1.8Mg 鋁合金所具有的細(xì)化的等軸顯微組織和高強(qiáng)改性的鋁合金的通過(guò)熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算和顯微組織表征進(jìn)行了詳細(xì)的探討。
主要結(jié)論
基于熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算,一種新穎的無(wú)裂紋的加入1.5WT%進(jìn)行改性的Al-Cu-Mg合金發(fā)展起來(lái)用于SLM制造。熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明Ti的添加強(qiáng)有力的提高了生長(zhǎng)限制系數(shù),但對(duì)裂紋敏感性指數(shù)的影響比較小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法,裂紋的形成的抑制被SLM制造Ti/Al-Cu-Mg合金部件所證實(shí)。除了Al-Cu-Mg中的Al2Cu析出相和 α-Al 基材之外,在SLM制造Ti/Al-Cu-Mg合金部件的時(shí)候,還存在Al3Ti納米顆粒 [(112) Al3Ti//(111) α-Al] 。
Ti的添加可以有效的促進(jìn)Al-Cu-Mg合金晶粒細(xì)化和柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變,這是因?yàn)锳l3Ti顆粒所提供的非均勻形核的效應(yīng)造成的。SLM制造Ti改性的Al-Cu-Mg合金擁有的極限拉伸強(qiáng)度為426.4±6.4MPa,屈服強(qiáng)度為 293.2±7.4MPa,斷面收縮率為9.1±0.7%。然而,SLM制造的Al-Cu-Mg合金的極限拉伸強(qiáng)度僅僅只有173.2±20.3MPa,斷面收縮率為不超過(guò)2%,這是因?yàn)闊崃鸭y所造成的。
圖5 (a) Schematic diagram of cracking mechanism in the在 Al-Cu-Mg合金中的裂紋形成機(jī)制的示意圖 alloy; (b) SEM 照片image and (c) IPF 圖顯示Al-Cu-Mg合金的裂紋區(qū)域的顯微組織map showing the microstructure in the cracked zone of Al-Cu-Mg alloy; (d) SEM 照片和 (e) IPF map of Ti/Al-Cu-Mg 合金中包含細(xì)小的等軸晶粒且無(wú)裂紋的IPF照片alloy consisting of fine equiaxed grains without cracks.
文章來(lái)源:A novel crack-free Ti-modified Al-Cu-Mg alloy designed for selective laser melting,Additive Manufacturing,Volume 38, February 2021, 101829,
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