高性能無需熱處理的Al-6Mg-0.3Sc合金的電弧增材制造研究

來源： WAAM電弧增材

在對增材制造的部件進(jìn)行熱處理過程中釋放的殘余應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致顯著的變形，尤其是對于那些具有薄壁特征和變截面的部件。傳統(tǒng) Al-Mg 合金是不可熱處理材料，添加鈧（Sc）后會(huì)形成 Al3Sc 納米沉淀物，在凝固時(shí)，初生 Al3Sc（微米級）可作為異質(zhì)形核點(diǎn)細(xì)化晶粒，經(jīng)合適熱處理可析出次生 Al3Sc（納米級）粒子，能固定位錯(cuò)和亞晶界增強(qiáng)合金，有利于大型部件成型，沉積后可直接使用，無需復(fù)雜昂貴的后熱處理。

電弧模式是電弧增材制造的關(guān)鍵參數(shù)，在冷金屬過渡 + 脈沖電弧（CMT + PA）模式下對晶粒尺寸和孔隙率影響顯著，不同的電弧模式對晶粒尺寸和孔隙率影響機(jī)制的進(jìn)一步深入研究仍然有限，對微觀結(jié)構(gòu)演變和強(qiáng)化機(jī)制的影響尚不清楚。雖然在 Al-Mg-Sc 合金增材制造文獻(xiàn)中已報(bào)道雙峰微觀結(jié)構(gòu)能顯著提高部件強(qiáng)度-塑性協(xié)同，但在增材制造領(lǐng)域?qū)﹄p峰結(jié)構(gòu)的控制尚未實(shí)現(xiàn)。

近日，西安交通大學(xué)在工程技術(shù)領(lǐng)域頂刊Journal of Manufacturing Processes上發(fā)表了題為"Wire-arc directed energy deposition of high performance heat treatment free Al-6Mg-0.3Sc alloy"的研究成果。在這項(xiàng)研究中，通過使用電弧增材技術(shù)成功制造了高性能無需熱處理的Al-6Mg-0.3Sc合金部件，實(shí)現(xiàn)了屈服強(qiáng)度為223.0 ± 0.9 MPa、抗拉強(qiáng)度為408.5 ± 3.2 MPa、延伸率為20.6 ± 1.7%的優(yōu)異機(jī)械性能。結(jié)果表明，與CMT電弧模式相比，CMT + PA電弧模式能產(chǎn)生更明顯的雙峰微觀結(jié)構(gòu)，改善了延伸率。機(jī)械性能增強(qiáng)機(jī)制更多依賴于固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化，而不是沉淀強(qiáng)化。此外，這項(xiàng)研究首次建立了熔滴過渡與微觀結(jié)構(gòu)演變之間的相關(guān)性。


圖1. WAAM系統(tǒng)：
(a) 原理圖；(b) 成型設(shè)備；
(c) 沉積策略；(d) 樣品取樣位置和尺寸；
(e) CMT電弧模式樣品；
(f) CMT + PA電弧模式樣品


圖 2. CMT 電弧模式：
（a-g）熔滴過渡圖像及其示意圖；
（h）電流和電壓波形

圖3. CMT + PA電弧模式：
(a-g) 熔滴過渡的圖像及其示意圖；
(h) 電流和電壓波形


圖 4. 不同電弧模式下的熔池形態(tài)：
（a）CMT；（b）CMT + PA


圖 5. 不同電弧模式的 XCT 圖像和孔徑統(tǒng)計(jì)：
（a）CMT；（b）CMT + PA


圖 6. 不同電弧模式下 Al-Mg-Sc 合金的 XRD 圖樣


圖 7. 不同電弧模式下的金相圖像：
（a）CMT；（b）CMT + PA


圖 8. CMT 和 CMT-PA 樣品的 EBSD 分析：
CMT 樣品：(a1) IPF（反極圖）圖；
(a2) 晶粒尺寸分布；
(a3) PF（極圖）圖；
CMT + PA 樣品：(b1) IPF 圖；
(b2) 晶粒尺寸分布；
(b3) PF 圖


圖 9. 不同電弧模式下 FG 區(qū)域的
SEM 圖像和相應(yīng)的 EDS 圖：（a）CMT；（b）CMT + PA


圖 10. 不同電弧模式下 CG 區(qū)域的
SEM 圖像和相應(yīng)的 EDS 圖：（a）CMT；（b）CMT + PA

關(guān)鍵結(jié)論
在這項(xiàng)研究中，成功地使用電弧增材制造技術(shù)制造了高性能無需熱處理的Al-Mg-Sc合金部件。揭示了不同電弧模式對機(jī)械性能、缺陷、微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化機(jī)制的影響。

（1）利用CMT + PA電弧模式，可以在沉積狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能，屈服強(qiáng)度為223.0 ± 0.9 MPa，抗拉強(qiáng)度為408.5 ± 3.2 MPa，延伸率為20.6 ± 1.7%。這主要?dú)w因于固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

（2）CMT + PA電弧模式可以將平均晶粒尺寸細(xì)化到7.1 ± 1.65 μm，并將孔隙率降低到0.028%。

（3）CMT + PA電弧模式獨(dú)特的熔滴過渡工藝和較低的熱輸入產(chǎn)生了更明顯的雙峰微觀結(jié)構(gòu)（粗大的CG和更細(xì)的大面積FG）。CMT + PA電弧模式誘導(dǎo)的更明顯的雙峰微觀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了HDI強(qiáng)化，同時(shí)提高了屈服強(qiáng)度和延伸率。

（4）論文提出了一種可行的方法來增強(qiáng)電弧增材制造的的Al-Mg-Sc合金部件的沉積性能，為避免電弧增材制造的大型部件所需的繁瑣熱處理提供了方向。

通訊作者
方學(xué)偉，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，第七屆中國科協(xié)青年人才托舉工程入選者，師從盧秉恒院士。主要研究方向?yàn)榇笮谓饘贅?gòu)件高效增材制造工藝及裝備，金屬增材制造微觀組織性能調(diào)控及金屬增材制造過程數(shù)值計(jì)算模擬等。在金屬增材制造領(lǐng)域國際高水平SCI期刊Addit Manuf、Virtual and Physical Prototyping、Int J Extreme Manuf、Int J Mach Tools Manuf等發(fā)表論文40余篇，出版中文教材1部，撰寫英文章節(jié)1章，中文專著2部，授權(quán)國家發(fā)明專利30余項(xiàng)。擔(dān)任Additive Manufacturing Frontiers、機(jī)械工程學(xué)報(bào)、焊接學(xué)報(bào)、電焊機(jī)雜志等中英文期刊編委/青年編委，擔(dān)任SCI期刊Frontiers in Materials、Coatings客座編輯，Additive Manufacturing、Int J Extreme Manuf等領(lǐng)域頂級期刊審稿人。擔(dān)任中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)再制造分會(huì)委員、中國有色金屬學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)委員、增材制造分會(huì)青年委員、焊接分會(huì)青年委員。主持重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、JCJQ重點(diǎn)項(xiàng)目課題、國家自然科學(xué)基金、博士后面上/特別資助、航空基金、航天基金等項(xiàng)目20余項(xiàng)。

論文引用
Kai Li, Xuewei Fang, Jiannan Yang, Xinzhi Li, Minghua Ma, Jiahao Shang, Ke Huang. Wire-arc directed energy deposition of high performance heat treatment free Al-6Mg-0.3Sc alloy: Journal of Manufacturing Processes125(2024) 589-603.

DOI:https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.07.088