《JMST》：抗拉高达600MPa！线弧增材制造技术制备超高强度铝合金

来源：材料学网

导读：利用线弧增材制造(WAAM)技术制备Al-Zn-Mg-Cu铝合金近年来取得了一定进展。然而，在WAAM中实现超高强度(600 MPa)仍然是一个挑战。本研究采用自制7B55-Sc填充丝，采用冷金属转移(CMT)工艺成功制备了超高强度无裂纹Al-Zn-Mg-Cu-Sc薄壁构件。T6热处理和沉积样品的显微组织均为细小等轴晶粒，平均尺寸约为6.0 μm。初生Al3(Sc, Zr)颗粒在凝固过程中扮演非均相核的角色，促进等轴晶粒的形成，细化组织。沉积状态下沿晶界形成了大量富含Al、Zn、Mg、Cu元素的连续共晶组织，晶粒内析出的第二相主要为平衡η相、亚稳 η’相和大尺寸T相。T6热处理后，原先分布在晶粒内和晶界的第二相大部分溶解到Al基体中，时效过程中在晶粒内析出了大量细小的GP区、相和次生Al3(Sc,Zr)颗粒。T6热处理后水平方向抗拉强度达到618 MPa的记录水平，被认为是WAAM制造600 MPa级铝合金的突破。

增材制造（AM）工艺能够基于扫描物理对象或使用设计软件生成的三维数据逐层制造几何复杂的零件。线弧增材制造（WAAM）作为AM的成员，是一项创新技术，它利用电弧作为热源，沿着计划的路径逐层熔化和沉积填充焊丝。与传统的制造工艺相比，例如等减制造方法，具有加工工艺复杂，制造灵活性差，材料利用率低，生产周期长等减制造方法，WAAM由于材料利用率高和结构灵活性高，非常适合生产大型近净形金属部件。

近年来，许多研究人员和科学家开始应用WAAM技术制造各种铝合金，例如Al-Mg合金，Al-Cu合金和具有良好焊接性的Al-Si合金。随着航空航天工业需求的不断增加，对WAAM铝合金的强度要求越来越高。上述常规铝合金不能满足超高强度的要求。因此，许多研究人员正在关注WAAM Al-Zn-Mg-Cu铝合金部件的可行性，因为它们具有极高的比强度。到目前为止，WAAM生产的Al-Zn-Mg-Cu铝合金已经以两种方式之一下降：第一种方法是添加多根电线作为原料。研究人员人通过使用钨极气体保护焊（GTAW）系统将ER2319、ER5356和Zn填充焊丝同步送入熔池，从而制造了Al-6.6Zn-2.6Mg-2.6Cu铝合金部件。液化裂纹发生在距底部40-60 mm处，沉积了40多层。随着沉积高度的增加，内应力增大，导致宏观裂纹的形成。在研究人员进行的另一项类似研究中， 沉积组分的微观结构主要由具有多个孔隙和微裂纹的柱状晶粒组成， 测得的水平和垂直拉伸强度分别为241 MPa和160 MPa，表现出典型的各向异性。从以上文献可以看出，由于化学成分不当和微观结构不均匀，添加多根线作为原料不适合WAAM Al-Zn-Mg-Cu铝合金，这使得制造的结构部件极易受到热裂纹的影响，并且机械性能会受到负面影响。

避免WAAM铝合金上述缺陷的有效方法是直接利用商用或自行制备的铝合金线材作为原料。科研人员研究了GTAW系统制造的7055铝合金的显微组织和力学性能，使用商用7055铝填充丝，其中微观结构仍由粗柱状晶粒组成，由于孔隙率过大和连续的第二相，在水平方向上的抗拉强度仅达到230.7 MPa。研究人员也利用商用7055线材作为原料，但通过热线WAAM技术减少了热量输入，以生产具有主要由大等轴晶粒和少数柱状晶粒组成的微观结构的无裂纹组件。经过三段式固溶和时效热处理，抗拉强度达到563 MPa。研究人员通过改性Al-Zn-Mg-Cu铝合金（Al-3.6Zn-5.9Mg-0.3Cu）的成分制备了填充丝，并使用冷金属转移（CMT）技术生产了无裂纹组件。经过两段式时效处理，抗拉强度达到477 MPa。随后，他们开发了另一种Al-5.5Zn-Mg-Cu（ML7075）线材，并通过CMT技术生产了无裂纹WAAM薄壁组件。T6热处理后，抗拉强度达到558 MPa。尽管上述研究成果在强度上不断取得突破，但根据AMS4206C航空航天材料规范，目前实现的强度仍无法满足应用于某些航空航天结构件（抗拉强度>614MPa）的超高强度Al-Zn-Mg-Cu铝合金的要求。因此，进一步提高WAAM中Al-Zn-Mg-Cu铝合金的力学性能仍然是非常需要的。

澳大利亚伍伦贡大学李会军教授研究团队在这项研究中通过优化Al-Zn-Mg-Cu合金元素的组成，在冶炼过程中加入适量的孕育剂Sc和Zr元素，优化冶炼工艺，改善填充丝表面光洁度，为WAAM研制了一种超高强度、优异的耐热裂性和低孔隙率的新型Al-Zn-Mg-Cu-Sc铝合金填充丝7B55-Sc铝合金填充丝。使用7B55-Sc线材作为原料，通过CMT工艺制备了没有任何裂纹的单程多层薄壁组件。系统研究了7B55-Sc样品在沉积和T6热处理条件下的微观结构和力学性能。

相关研究成果以题“Microstructure and mechanical properties of 600 MPa grade ultra-high strength aluminum alloy fabricated by wire-arc additive manufacturing”发表在国际期刊Journal of Materials Science & Technology上。  

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1005030223000488   

图1 （a）7B55-SC盘绕线、（b）WAAM系统和 （c） 制造的单程多层薄壁组件的插图。

图2样品提取示意图：（a）样品提取的位置，（b）拉伸试样的尺寸。

图3 沉积和T6热处理的7B55-Sc样品不同横截面的OM图像：（a，b）沉积条件下的YOZ和XOZ横截面，（c，d）T6热处理条件下的YOZ和XOZ横截面。

图4 沉积和 T6 热处理 7B55-Sc 样品的 EBSD 结果：EBSD IPF 映射、晶粒尺寸分布、取向角分布以及 （a、b、c、d） 沉积样品和 （e、f、g、h） T6 热处理样品的极图。

图5 沉积和T6热处理的7B55-Sc样品的BSE图像和点扫描结果：（a）沉积条件，（b）T6热处理条件。

图6 沉积和T6热处理的7B55-Sc样品的XRD图谱。

图7 在沉积的7B55-Sc样品的晶粒内沉淀的不同第二相的STEM结果：（a）晶粒内沉积的7B55-Sc样品的STEM图像，（b）HAADF-STEM图像和EDS图谱η’相位，（c，d）区域A和FFT的放大倍率视图η’相位，（e）HAADF-STEM图像和EDS地图ηMg(Zn,Cu,Al)2相位和T相位，（f，g）区域B和FFT的放大倍率ηMg(Zn,Cu,Al)2视图相位，（h，i）区域C和FFT的放大倍率T视图阶段。

图8 在T6热处理的7B55-Sc样品的晶粒中沉淀的不同第二相的STEM结果：（a）晶粒内T6热处理的7B55-Sc样品的STEM图像，（b）HAADF-STEM图像和EDS图谱T6热处理样品中的相、GP区和次级Al3（Sc，Zr）相，（c，d）次级Al3（Sc，Zr）相D区和FFT的放大倍率视图，（e）次级Al3（Sc，Zr）的核/壳结构。

图9 7B55-Sc样品在沉积和T6热处理条件下的拉伸性能：（a）具有代表性的7B55-Sc样品在水平和垂直方向上的工程应力-应变曲线，以及（b）拉伸测试结果的统计。

图10 文献中不同WAAM铝合金的平均拉伸强度和伸长率的比较。

图11 沉积和T6热处理7B55-Sc样品的断裂形态：（a）沉积条件下的水平和（b）垂直断裂表面，（c）T6热处理条件下的水平和（d）垂直断裂表面。   

图12 WAAM过程中等轴晶粒结构形成机理示意图.

本研究采用CMT工艺，利用自制的7B55-Sc填充丝成功制备了超高强度的无裂纹Al-Zn-Mg-Cu-Sc薄壁组分,系统研究了沉积和T6热处理条件下7B55-Sc样品的第二相微观结构析出和力学性能。结论可得出如下：

(1)7B55-Sc合金在沉积和T6热处理条件下的显微组织均由细等轴晶粒组成，T6热处理后晶粒均无粗化倾向。两种条件下的平均晶粒尺寸约为6.0 μm。

(2)在沉积条件下观察到的初级Al3（Sc，Zr）颗粒可以作为非均相核，促进等轴晶粒的形成，并在凝固过程中细化微观结构。在T6热处理条件下观察到的二次Al3（Sc，Zr）颗粒不仅提高了铝合金的热稳定性，阻碍了晶粒生长，而且起到了沉淀强化的作用。

(3)在沉积条件下，沿晶界析出大量连续共晶结构，晶粒内析出的第二相主要包括：阶段相位和 T 相位。T6热处理后，原本分布在晶粒内和沿晶界的第二相大部分溶解到Al基体中，而大量的细GP区，在老化过程中，晶粒内析出相和二次Al3（Sc，Zr）颗粒，导致强度显著提高。

(4)T6热处理后，测得水平方向的平均UTS、YS和伸长率为618±4兆帕，542±6 兆帕和 5.7±0.7%。其出色的抗拉强度成功超过600 MPa，这是迄今为止报道的任何WAAM铝合金中强度最高的水平。