北航《JMST》：新型電弧增材鋁合金強韌化策略！激光沖擊強化與熱處理復(fù)合制造

來源：材料科學(xué)與工程

電弧定向能量沉積（Wire arc-directed energy deposition，WADED,，又稱電弧增材制造）技術(shù)適用于大尺寸、中低復(fù)雜程度金屬零件一體化快速制造。不可熱處理強化Al-Mg合金是航空航天,、軌道交通和船舶制造領(lǐng)域大型構(gòu)件重要輕質(zhì)材料,，采用WADED制造的Al-Mg構(gòu)件存在氣孔缺陷多發(fā)、組織粗大和強度不足等問題,，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的工程應(yīng)用推廣,。激光沖擊強化（Laser shock peening，LSP）技術(shù)具有強化效果顯著,、可達(dá)性高和對零件尺寸精度影響小等優(yōu)勢,，被應(yīng)用于多種材料體系增材制造構(gòu)件中。通過激光沖擊強化產(chǎn)生表面塑性變形可閉合增材構(gòu)件近表面氣孔和細(xì)化微觀組織,，并產(chǎn)生較明顯的加工硬化,，強度提升的同時導(dǎo)致塑性降低。

基于此,，北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院郭偉教授團(tuán)隊設(shè)計了一種激光沖擊強化+退火策略,，通過LSP閉合WADED鋁合金近表面氣孔，產(chǎn)生加工硬化效果,。進(jìn)一步通過退火處理調(diào)控LSP產(chǎn)生的梯度結(jié)構(gòu),，從而改善增材制造鋁合金構(gòu)件的強度與塑性。結(jié)果表明,，LSP產(chǎn)生的塑性變形可以有效閉合近表面氣孔,，形成無缺陷區(qū)；促進(jìn)近表面區(qū)域晶粒細(xì)化,、產(chǎn)生大量小角度晶界（LAGBs）和高密度位錯,，從而顯著提高強度；同時由于位錯容納能力的下降導(dǎo)致塑性變差,。退火過程中,，LSP在近表面區(qū)域產(chǎn)生的高密度位錯和高儲存能加速再結(jié)晶，促進(jìn)晶粒再生長,；在保留無缺陷區(qū)和“硬-軟-硬”梯度結(jié)構(gòu)的同時,，消除部分位錯和LAGBs，減弱LSP引起的加工硬化,，顯著提高延伸率,。無缺陷區(qū)、位錯強化和LAGBs強化是強度提高的主要原因,，具有梯度力學(xué)性能的表面硬化層和內(nèi)部軟化層之間的協(xié)同變形促進(jìn)塑性顯著提高,。通過平衡LSP產(chǎn)生的硬化效果和退火產(chǎn)生的軟化效果，可實現(xiàn)WADED鋁合金強度和塑性協(xié)同提升,。研究結(jié)果為電弧增材制造結(jié)構(gòu)強塑性協(xié)同優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐,。

相關(guān)研究成果以“Tailoring properties of directed energy deposited Al-Mg alloy by balancing laser shock peening and heat treatment”為題發(fā)表在材料科學(xué)與工程權(quán)威期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.051

圖1 WADED鋁合金激光沖擊強化+退火工藝流程：（a）WADED,；（b）雙面激光沖擊強化,；（c）退火

LSP引發(fā)塑性變形促進(jìn)WADED鋁合金近表面氣孔閉合,，形成一定深度的無缺陷區(qū)，在合理的低溫退火處理后,，無缺陷區(qū)依然保留,。通過μCT斷層掃描技術(shù)進(jìn)行了氣孔三維特征統(tǒng)計分析，結(jié)果表明大尺寸氣孔存在層間偏聚傾向,，LSP可以顯著減少一定作用深度范圍內(nèi)的氣孔數(shù)量,。

圖2 WADED鋁合金經(jīng)過激光沖擊強化及退火工藝后氣孔分布特征：（a）近表面氣孔特征，強化后出現(xiàn)無缺陷區(qū),；（b-c）LSP前后試樣氣孔三維特征

LSP可以促進(jìn)晶粒細(xì)化,，并誘導(dǎo)大量小角度晶界（LAGBs）和超高密度位錯結(jié)構(gòu)；晶粒尺寸,、LAGBs和位錯密度沿深度方向呈梯度演變,。經(jīng)LSP處理的樣品在退火過程中更容易發(fā)生再結(jié)晶和晶粒粗化，LAGBs和位錯密度顯著下降,。

圖3 不同處理條件下樣品的EBSD結(jié)果：（a-d）沉積態(tài),、LSP、LSP+退火和沉積態(tài)+退火,；（e）距離表面不同深度區(qū)小角度晶界長度統(tǒng)計,；（f）取樣示意

圖4 距離樣品表面不同深度位錯形貌：（a）沉積；（b）LSP樣（c）LSP+退火

通過研究距離表面不同深度位置顯微硬度,、殘余應(yīng)力和拉伸性能,，揭示了LSP,、LSP+退火樣品中存在力學(xué)性能梯度分布特征,，具有由表面硬化層和內(nèi)部軟化層組成的“硬-軟-硬”復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖5 沿深度方向梯度力學(xué)性能表征特征：（a）硬度分布,；（b）殘余應(yīng)力分布,；（c，d）不同深度拉伸性能

LSP樣品的屈服強度,、抗拉強度和伸長率分別為194.3MPa（較沉積態(tài)提高46%）,、350.9MPa（提高23%）和15.1%（降低8%）。經(jīng)退火后,，屈服強度（158.3MPa）和抗拉強度（294.2MPa）降低,，伸長率顯著提升（27.2%）。

圖6 沉積態(tài),、LSP和LSP+退火樣品拉伸性能：（a,，b）拉伸性能結(jié)果；（c）當(dāng)前研究工作拉伸性能與常見強化方法對比

無缺陷區(qū)增加了增材樣品的實際承載面積,，殘余壓應(yīng)力可緩解殘留氣孔周圍的應(yīng)力集中,，阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展,；近表面區(qū)域由于顯著的位錯強化和LAGBs強化形成了高強度硬化層，從而顯著提高樣品的整體強度,。表面硬化層與內(nèi)部軟化層在拉伸變形過程中的協(xié)同變形有利于提高樣品整體的位錯存儲能力,，從而提高樣品的塑性。

圖7 LSP+退火工藝對WADED鋁合金強度提高機理示意圖

明顯的無缺陷區(qū)和微觀組織演變需要采用高功率密度激光或多次LSP進(jìn)行表面強化,，以保證在樣品表面產(chǎn)生足夠的表面塑性變形,；但同時帶來加工硬化，一定程度降低樣品塑性,。通過退火工藝,，消除過量位錯和LAGBs，同時保持無缺陷區(qū)和梯度微觀組織,，從而恢復(fù)塑性,。通過平衡LSP硬化和退火軟化可實現(xiàn)WADED鋁合金構(gòu)件強度與塑性協(xié)同提升。

圖8 基于平衡LSP與退火作用的強塑性協(xié)同提升策略

引用格式：Dai W, Guo W, Xiao J, et al. Tailoring properties of directed energy deposited Al-Mg alloy by balancing laser shock peening and heat treatment, J. Mater. Sci. Technol. 2024, 203: 78-96. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.051