層間冷加工和熱處理對增材制造鋁合金中孔隙的影響和孔隙閉合機制

來源：洞察金屬增材制造

眾所周知，航空航天是采用增材制造（AM）這項新技術的先行者,。不過,，目前的應用主要集中于在地球上制造的二級結構或其它非關鍵應用。在未來的任務中,，預計將有更多的部件采用AM技術制造,，包括主要結構或其它任務關鍵部件，甚至在軌道上生產這些部件,。在太空領域,，AM在節(jié)約成本和提高性能方面凸顯了巨大的潛力。

鈦合金Ti6Al4V因其高比強度和高抗腐蝕性能而被普遍用于航空航天的高端應用,。但對于太空應用和其它高要求用途,，對部件可靠性的要求非常嚴格，有必要確保一致的機械和物理性能,。除了構建參數(shù)如激光功率,，掃描速率等會對部件的性能造成影響外，原始粉末喂料的化學成分,，氧含量等也是造成打印部件機械性能不一致的可能因素,。歐洲宇航局的科研團隊曾報道了高密度夾雜物對Ti6Al4V部件拉伸性能的影響以及粉末喂料中污染物的來源。

實驗方案
所有Ti6Al4V樣品是通過粉床選區(qū)激光熔覆工藝制備,。如下圖所示,，拉伸試樣有3種取向，分別沿X,，111和Z方向,。打印后的樣品在真空爐中，670°C下保溫5h,，進行消除應力退火,。拉伸樣品的表面經過陶瓷顆粒噴射表面處理工序來去除附著在表面的顆粒，以降低表面粗糙度,。試樣首先經歷了拉伸試驗,，然后對其進行了斷口表面分析和X射線計算機斷層掃描分析。值得注意的是,，拉伸試樣的表面并未進行機加工,。為了進行對比試驗，研究人員采購了兩爐樣品,，即第一爐（又被稱為contaminated）和第二爐（又被稱為non-contaminated）樣品,。

拉伸試樣的3種取向

拉伸性能
第一爐樣品和第二爐樣品的屈服強度和抗拉強度相當，但是第一爐Z取向樣品的強度結果更加分散,，主要體現(xiàn)在標準差更大上,。此外，第一爐Z取向樣品的斷裂延伸率明顯比第二爐樣品的延伸率低,，約為40%,。

方框為抗拉強度,，黑點為屈服強度,，第一爐：contaminated,，第二爐：non-contaminated

兩爐樣品的斷裂延伸率，第一爐：contaminated,，第二爐：non-contaminated

斷口形貌
第一爐縱向拉伸試樣（Z取向）的斷口呈典型的杯錐形拉伸斷裂面,，具有內纖維區(qū)，外剪切唇和韌窩,。雖然沒有證據顯示未融合缺陷的存在,，但是發(fā)現(xiàn)了具有脆性斷裂形貌的鎢顆粒。因為鎢是硬質材料,，熔點高,，韌性低，所以在拉應力作用下,，這些顆粒很有可能成為裂紋萌生的地點并會促進裂紋擴展,。而在第二爐樣品的斷裂表面中并未檢測到鎢顆粒。

第一爐試樣的斷口形貌和鎢夾雜

缺陷
第一爐樣品中,，鎢含量的體積分數(shù)約為0.03%-0.04%,，顆粒的直徑約為27-140微米，Z取向樣品的孔隙度約為0.03%,，X和111取向樣品的孔隙度則接近0.3%,。微孔的大小在37到250微米之間。與第一爐樣品類似,，第二爐樣品中的缺陷濃度約為0.2%,，尺寸在40-300微米之間，但夾雜顆粒的濃度可忽略不計,。

原始粉末
在使用ICP-OES方法檢測原始粉末的化學成分時,，沒有檢測到鎢元素，這很有可能是因為其檢測能力受限,，元素在熔液中被稀釋,。但是，X射線計算機斷層掃描和掃描電鏡（如下圖所示）都探測到了高密度的鎢顆粒,。這也反過來說明了這兩種方法可以被用來彌補其它常用粉末檢測手段的不足,。

在該研究中，鎢夾雜顆粒主要來自于打印設備引起的交叉污染,，因為在打印第一爐樣品之前,，在同一打印設備上使用了鎢粉。在鎢極氬弧焊中,，鎢夾雜物是一個眾所周知的問題,，通常被認為是導致焊接部件失效的一個重要原因,。此外，其它性能也可能受到影響,，比如耐腐蝕性能和應力腐蝕開裂,。

用于生產第一爐樣品的粉末，亮灰色顆粒為鎢粉末顆粒

結論與啟示
對于制造關鍵的應用部件,，專家建議每臺AM設備只使用一種材料,。除了檢測粉末的粒度分布，流動性,，化學成分以及形貌之外,，在必要的情況下可利用掃描電鏡和CT等先進表征手段對粉末中可能出現(xiàn)的微量污染物進行檢測。

參考資料：
[1] https://doi.org/10.3390/ma10050522ENDec.2023.117966