我國學(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-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工藝來說所具有的兼容性和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^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)都沒能消除熱裂紋傾向。Zhang等人采用SLM技術(shù)成功的制造了無裂紋的高強(qiáng)度的Al-Cu-Mg合金。
比較遺憾的是，該制造過程依然經(jīng)受著裂紋敏感性的問題，這是因?yàn)楣に嚧翱诒容^窄以及柱狀晶的生長問題。SLM工藝在快速熔化和冷卻過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裂紋鋁合金可以通過引入額外的孕育劑來控制凝固。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)柱狀晶的形成問題，新的材料成分設(shè)計(jì)以進(jìn)一步的開拓以拓展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是一種常見的辦法來促進(jìn)晶粒的細(xì)化。SLM工藝被認(rèn)為是一種微小區(qū)域的鑄造過程。
此外，Ti元素來替代稀土元素進(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，一種新穎的無裂紋的加入1.5WT%進(jìn)行改性的Al-Cu-Mg合金發(fā)展起來用于SLM制造。熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明Ti的添加強(qiáng)有力的提高了生長限制系數(shù)，但對(duì)裂紋敏感性指數(shù)的影響比較小。通過實(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)小的等軸晶粒且無裂紋的IPF照片alloy consisting of fine equiaxed grains without cracks.
文章來源：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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