哈爾濱工業(yè)大學(xué)增材制造頂刊《AM》：研究激光粉末增材制造鋁鋰合金的熱裂行為,！

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：采用激光粉末床熔融（LPBF）打印鋁鋰合金具有巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力,。然而，由于鋰的添加而導(dǎo)致的高熱裂敏感性（HCS）,，其仍然是制約其快速向此類工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵因素,。本文通過三維 (3D) X 射線顯微斷層掃描技術(shù)研究了 LPBF 工藝制造的 2195 Al-Li 合金的熱裂行為。結(jié)果顯示,，打印樣品中具有 3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大且相互連接的裂縫,，從之前的單個(gè)軌道中的層狀裂縫沿構(gòu)筑方向逐層延伸。Al 6CuLi3之間的偏析導(dǎo)致Al-Cu共晶沿大角晶界形成晶間液膜,。此外,，發(fā)現(xiàn)2之間的界面層（枝晶內(nèi)液膜）Cu和相鄰的LiAlSi或AlCuMgAg在晶粒內(nèi)部表現(xiàn)出降低的抗微裂紋性。此外,，高的內(nèi)部殘余拉應(yīng)力為裂紋的萌生和擴(kuò)展提供了驅(qū)動力,。

增材制造(AM) 是一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀高性能金屬零件的三維 (3D) 近凈形成型的方法，推動了基于3D打印的下一次工業(yè)革命,。與傳統(tǒng)的減材制造相反,，增材制造采用逐步逐層的材料加工策略。它允許將模型切片從復(fù)雜的 3D 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為簡單的 2D 幾何圖形,。激光粉末床融合(LPBF) 是一種典型的基于粉末的增材制造方法,。Al-Li 合金比傳統(tǒng)的 2xxx 或 7xxx 系列鋁合金更受歡迎,，因?yàn)樗鼈兙哂械兔芏�,、高彈性模量、高�?qiáng)度重量比,、高損傷容限和耐腐蝕性,。此外，可以引入 Cu 和 Mg 以形成 Al-Cu-Li 合金,，這有助于優(yōu)化析出順序,，或者通過與 Li 結(jié)合生成強(qiáng)化相，例如 T 1 (Al 2 CuLi) 和 T 2 (Al 6 CuLi 3 ),，或通過改變?nèi)芙舛�,。然而，添�?Li 和 Cu 也顯著增加了熱裂敏感性(HCS) 的鋁鋰合金,。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要障礙可能是鋁鋰合金在 LPBF過程中復(fù)雜的非平衡凝固過程,。在這項(xiàng)工作中表明，Al-Li 合金的最終沉淀順序直接影響打印樣品的熱裂行為和機(jī)械性能。然而,，關(guān)于鋁鋰合金的LPBF加工的研究很少,。通過調(diào)整工藝參數(shù)來優(yōu)化激光加工性能是制造無裂紋鋁鋰組件的重要一步。

一般來說,，熱裂的貢獻(xiàn)主要來自兩個(gè)來源：液膜和應(yīng)力集中,。穩(wěn)定的液膜是必不可少的先決條件，而應(yīng)力集中是引發(fā)裂紋并使其擴(kuò)展的觸發(fā)因素,，最終導(dǎo)致災(zāi)難性故障,。需要考慮的最重要因素之一可能是由于鋰的添加而導(dǎo)致的動態(tài)沉淀順序的變化，這直接影響了液膜的分布和穩(wěn)定性,。因此,，建立微觀結(jié)構(gòu)演化、液膜穩(wěn)定性和殘余應(yīng)力分布之間的關(guān)系是揭示熱裂機(jī)理的關(guān)鍵,。在鋁鋰合金的LPBF過程中,。因此，直流溫度噸br對于排斥邊界,，取決于如圖 12a 所示的錯(cuò)誤取向角θ,，其中參考值噸b一種對于 2195 Al-Li 合金，定義為 759 K,。最低直流溫度噸b,分鐘r和最大直流過冷度Δ噸b,最大限度分別計(jì)算為 562 K 和 197 K,。

哈爾濱工業(yè)大學(xué) ZhenglongLei結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算來闡明LPBF 處理的 2195 鋁鋰合金的熱裂機(jī)理。全面討論了裂紋萌生,、擴(kuò)展和停止的動態(tài)熱裂紋演化過程,，對指導(dǎo)工藝優(yōu)化具有重要意義。在打印鋁鋰樣品中捕獲了具有 3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶間裂紋,。網(wǎng)狀裂紋由單道層狀裂紋逐層擴(kuò)展,。由偏析產(chǎn)生的Al-Cu共晶有助于形成晶間液膜。晶間熱裂敏感性高于晶粒內(nèi)部,。在應(yīng)力集中作用下液膜撕裂是裂紋萌生的主要原因,。相關(guān)研究成果以題“”

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圖 1。粉末形態(tài)和尺寸分布：（a）放大 400 倍的SEM圖像和（b）粉末尺寸分布,。

圖 2,。LPBF平臺示意圖：（a）實(shí)驗(yàn)程序和（b）棋盤掃描策略。

圖 3,。模擬中使用的計(jì)算域和網(wǎng)格圖示：(a) 3D有限元模型（側(cè)視圖）,；(b) 模型的頂視圖，顯示LPBF過程中的掃描策略,。

通過高通量測試獲得的參數(shù)優(yōu)化圖如圖 4所示,，其中繪制了所有嘗試組合的每個(gè)單道掃描的激光功率 (Watts) 與掃描速度 (mm/s) 的關(guān)系,。如圖 5 所示。隨著VED的增加,，相對密度先增加后趨于穩(wěn)定,。在 129.63 J/mm 3的低 VED 下，許多由粉末熔化不足和液相擴(kuò)散不足引起的孔缺陷和裂紋如圖 5 所示,。a,，導(dǎo)致 92.73% 的低密度。隨著能量輸入的增加,，孔隙缺陷和裂紋消失,。

圖 4。單軌掃描工藝參數(shù)窗口的優(yōu)化：（a）-（d）典型單軌樣品的表面形貌,，（e）從高通量單軌掃描獲得的參數(shù)優(yōu)化圖,。

圖 5。致密化分析：(a) - (d) 典型橫截面OM 圖像和 (e)能量密度對相對密度的影響,。

圖 6,。立方樣品的SEM圖像：(a) - (c) 逐漸放大的微觀結(jié)構(gòu) BSE 視圖。

圖 7,。XRD 圖案：(a) 粉末和印刷樣品,，(b) 區(qū)域 b 的放大圖，和 (c) 區(qū)域 c 的放大圖,。

圖 8,。準(zhǔn)晶 T 2相的相鑒定：(a)粗 GB 相呈網(wǎng)絡(luò)分布的BSE顯微照片，(b) EDS 結(jié)果,，(c) 準(zhǔn)晶相的 TEM 形態(tài),，(d)具有a典型的五重對稱，和（e） HRTEM圖像,。

圖 9,。使用 TEM 進(jìn)行元素分布和相識別：(a) TEM 明場顯微照片，(bf) Al,、Cu,、Si,、Ag 和 Mg 的 EDS 映射,，(g) (a)、(h,、i) 相應(yīng)SAD的放大圖像區(qū)域 A 和 B 的圖案,，(j) δ ′ /β ′ 的形態(tài)，(k) 相應(yīng)的 δ ′ /β ′ 的 SAD 圖案,，以及 (l) 沿<100 >區(qū)域軸的標(biāo)準(zhǔn)衍射圖案,。

圖 10。LPBF處理樣品的熱裂行為：（a）整個(gè)試樣的典型XRM切片，（b）孔隙和裂紋的宏觀分布,，（c,，d）網(wǎng)狀大互連裂紋的3D圖像，（e,，f）沿GBs的典型初始沿晶表面斷裂,，和（g）晶粒內(nèi)的條紋狀界面微裂紋。

圖 11,。EBSD結(jié)果分析了 LPBF 處理的鋁鋰合金縱向截面上的 GBs：(a) IPF 圖像,，(b) HAGBs 和 LAGBs 的 GB 分布圖，(c) 顯示應(yīng)變濃度的KAM圖,，(d) 晶粒尺寸分布,，(e) 沿裂紋擴(kuò)展路徑的方向錯(cuò)誤角和 (f) 方向錯(cuò)誤角分布。

圖 12,。取向差角對枝晶聚結(jié)溫度和GB能量的影響,。(a) GB 角與聚結(jié)溫度的關(guān)系，(b) GB 角與 GB 能量的關(guān)系,。

圖 13,。Al-Li 和 AlSi10Mg 合金凝固曲線的對比分析：(a) 凝固溫度范圍，(b) (a) 凝固最后階段的放大圖像,。

圖 14,。P  = 200 W 和v = 100 mm/s 時(shí)LPBF中溫度和應(yīng)力場的模擬結(jié)果：(a) 溫度場，(b) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，(c) P1 處計(jì)算的 X 分量熱應(yīng)力,，以及 (d) X 分量殘余應(yīng)力分布。

圖 15,。結(jié)晶和元素相互擴(kuò)散過程的示意圖：（a）液相中的α- Al成核,，（b）T相成核，（c）MgAgCuSi簇,，Ω相,，θ′-相枝晶內(nèi)成核和T 2 -相晶間形核，(d) 離異共晶形成和晶間裂紋萌生,，(e) - (h) 突出了涉及最復(fù)雜情況與時(shí)間的枝晶內(nèi)沉淀演化順序,。需要注意的是，枝晶內(nèi)微裂紋的放大圖像如（h）所示,，其趨向于發(fā)生在枝晶內(nèi)低熔點(diǎn)共晶區(qū),。

圖 16。裂紋萌生和擴(kuò)展過程示意圖：(a)在拉應(yīng)力作用下,，由于液膜撕裂引起裂紋萌生,，(b)裂紋沿 GBs 擴(kuò)展,，(c) 裂紋擴(kuò)展至 FGZ 或連續(xù)裂紋時(shí)的裂紋停止裂紋在枝晶生長方向上擴(kuò)展，以及 (d) 裂紋趨于匯聚在一起,，導(dǎo)致具有 3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大互連裂紋,。

結(jié)論

(1)由于逐層處理策略，在打印的鋁鋰合金樣品中遇到了具有 3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大互連裂紋,，這些裂紋從之前的單軌道中的層狀裂紋沿構(gòu)建方向延伸,。相互連接的析出物通過晶間裂紋溶解出來，導(dǎo)致裂紋路徑更加復(fù)雜和規(guī)則,，與晶粒內(nèi)部相比,，裂紋擴(kuò)展阻力顯著降低。
(2)LPBF 處理的鋁鋰合金表現(xiàn)出很強(qiáng)的HCS,，尤其是在 HAGB 中,，這歸因于穩(wěn)定的液膜和某些應(yīng)力集中的存在。T 2相和α-Al基體之間的界面偏析促進(jìn)了沿GBs（晶間液膜）形成Al-Cu共晶,。θ′ 相與相鄰的 T 相或 Ω 相（枝晶內(nèi)液膜）之間的界面層可能在晶粒內(nèi)部存在缺陷,。
(3)聚結(jié)過冷∆噸bHAGBs的（15.6°）（155.5 K）遠(yuǎn)大于易損區(qū)的溫度范圍（59.7 K），這表明與晶粒內(nèi)部相比,，晶間區(qū)域的液膜穩(wěn)定性和HCS更高,。
(4)計(jì)算得到的 208.0 MPa 的殘余拉伸應(yīng)力表明打印樣品內(nèi)的內(nèi)部殘余應(yīng)力水平很高，這構(gòu)成了裂紋萌生和擴(kuò)展的驅(qū)動力,。
(5)通過預(yù)熱基板和降低掃描速度獲得無裂紋樣品,，有利于降低溫度梯度，延長熔池壽命,，防止熱裂紋,。