新加坡制造技術研究所增材頂刊：通過控制工藝參數(shù)和熱處理提高鋁合金的機械性能

來源：焊接切割聯(lián)盟

對于焊接性較差的合金,，如高強度鋁合金（Al˗Cu基2xxx系列合金,、Al˗Mg˗Si基Al6xxx系列合金和Al˗Zn˗Mg基Al7xxx系列合金）,，熱裂紋的形成會降低機械性能并阻礙工業(yè)應用,。對可印刷合金的可焊性的苛刻要求限制了適用于L-PBF的鋁合金體系,，以Al˗Si（Mg）系列合金，這反過來又阻礙了L-PBF成熟到其鋁合金的全部潛力,。常見的解決方案是通過調整工藝參數(shù)來改變凝固條件（如熱梯度和凝固速度）或成分改性以增強非均相成核,。

但是改變工藝參數(shù)并不通用且高度依賴機器；成分改性基本原理是引入能夠觸發(fā)形成與Al基質具有低晶格失配的Al3X(X=Zr,、Sc,、Nb或Ta)納米顆粒的元素。Al3X顆粒與Al基體之間的低晶格失配保證了異質形核的低界面能,，從而有利于超細晶的形成和裂紋的消除,。

除了裂紋愈合外，通過常規(guī)加工不容易實現(xiàn)的逐層構造和非平衡凝固產生的特定微觀組織,，例如通常觀察到的Lüders帶,，這是在含有UFG的L-PBF Al合金中觀察到的,。然而，對因改變加工參數(shù)和熱處理效果而引起的Lüders帶演化的研究很少,。此外,，由于形成熱穩(wěn)定的Al3（Sc，Zr）顆粒用于Sc和Zr改性的鋁合金,，具有潛在的高溫應用,，然而，大多數(shù)研究集中在室溫拉伸性能上,，而對高溫拉伸性能的研究很少,。

新加坡制造技術研究所Nai Mui Ling Sharon團隊設計了一種適用于L-PBF的含有Zr和Sc的成分改性Al6061合金，并將其選為模型系統(tǒng),，以了解以下問題：（1）通過調整激光能量密度,，揭示打印參數(shù)對微觀結構演變的影響及其對力學性能的影響；（2）采用各種熱處理方案來研究它們對微觀結構和拉伸性能的影響,；（3）L-PBF Sc和Zr改性Al6061合金的高溫拉伸性能。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104164

圖 1. (a) AL6061MOD 粉末的 SEM 圖像和 (b) 粒度分布,。

圖 2. AL6061MOD 合金成品的微觀結構,。不同激光能量密度下樣品的 EBSD：(a) E = 1188 J/mm3，(b) E = 594 J/mm3,，（c）297 J/mm3 ,，(d) E = 149 J/mm3 ，(e) E = 66 J/mm3,。(c1) 和 (c2) E297 樣品在高放大倍數(shù)下的 EBSD,。(f,f1,f2) SEM 圖像顯示了 E297 樣品中的異質微觀結構和白色對比沉淀物的形成。

圖 3. 對成品樣品中的 UFG 和 CCG 進行 STEM 分析,。(a) UFG 的 BF 和 (b) HAADF 圖像,。(a1)-(a8) 顯示了 (a) 對應的 EDS 映射圖像。(c) CCG 的 BF 和 (d) HAADF 圖像,。(c1)-(c8) 顯示了 (a1) 對應的 EDS 映射圖像

圖 4. AL6061MOD 成品樣品的 TEM 圖像,。(a) 從 UFG 拍攝的 TEM 圖像，顯示圓圈反射的 Al3Sc 粒子,。插圖顯示了沿[001]的圓圈沉淀物的選定區(qū)域衍射圖案,，顯示了超晶格反射。(b) 沿[001]區(qū)域軸拍攝的 HRTEM 圖像,。插圖顯示了相應矩形區(qū)域的快速傅立葉變換 (FFT),。(c) HRTEM 圖像顯示 Al 和 Al3Sc 之間的界面。圖片

圖 5. 不同熱處理條件下 AL6061MOD 成品顯微硬度的變化,。

圖 6.T6 后 AL6061MOD 合金的微觀結構,。(a) 3D OM 圖像顯示高致密化,。(b-d) SEM 圖像顯示異質微觀結構和白色對比沉淀物的形成。(e-g) EBSD 圖像顯示晶粒尺寸分布,。(g1-g3) (g) 中相應區(qū)域的 EDS 元素映射,。(h) T6 AL6061MOD 樣品的晶粒尺寸分布。

圖 7. T6 后 AL6061MOD 合金的 STEM 微觀結構表征,。(a) 樣品的 BF 和 (b) HAADF 圖像,。(a1-a8) (a2) 中相應區(qū)域的 STEM EDS 映射。(c) BF,、(c1-c3) EDS 映射和 (d) Sc Zr Si 富集顆粒的 SAED,。(e) BF、(e1,e2) EDS 映射和 (f) Mg-Si 富集沉淀物的 HRTEM 圖像,。

圖 8. AL6061MOD 合金在 350 ˚ C/4 小時 DA 后的微觀結構,。(a-d) EBSD 圖像顯示存在具有多峰晶粒尺寸分布的異質微觀結構。(c 1-c 3) c 中相應區(qū)域的 EDS 映射,。(e) 超細晶粒區(qū)域的晶粒尺寸分布,。

圖 9. DA 后原狀 AL6061MOD 合金的 STEM 和 EDS 映射。(a) BF,、(b) HAADF,、(a1-a8) 原狀 AL6061MOD 合金的 EDS 映射。(c) HAADF-STEM 圖像顯示 L12 結構的 Al3(Sc,Zr) 粒子,。(d)(c) 中的放大區(qū)域顯示了 Al 基質和 Al3(Sc,Zr) 之間界面的原子重合,。

圖 10. 不同條件下 AL6061MOD 合金的拉伸性能。(a) AL6061MOD 合金樣品沿水平和垂直方向的拉伸性能,。插圖顯示了這兩種條件下Lüders帶的演變,。插圖中列出了屈服強度、極限拉伸強度,、斷裂伸長率和Lüders帶應變,。(b) 激光能量密度對 AL6061MOD 合金樣品拉伸性能的影響。插圖顯示了不同激光能量密度下Lüders帶的演變,。插圖中列出了屈服強度,、極限拉伸強度、斷裂伸長率和Lüders帶應變,。(c) 熱處理對采用 E297 的 AL6061MOD 合金拉伸性能的影響,。(d) 自然時效對固溶處理后 AL6061MOD 合金拉伸性能的影響。

圖 11. (a) A6061Mod 合金的高溫拉伸性能,。(b) 屈服強度,、(c) 極限拉伸強度和 (d) 斷裂伸長率。

圖 12. 不同條件下添加 E297 的 LL-PBF-PBF AL6061MOD 的斷裂表面,。（a）水平方向的成品樣品,；（b）350 ℃/4 h 的 DA 樣品,；（c）T6 樣品；（d）ST 樣品,；（e）垂直方向的成品樣品,。

主要結論概括如下：
采用 L-PBF 增材制造了具有良好打印性能的無裂紋 Sc 和 Zr 改性 Al6061 合金 (AL6061MOD)。通過修改工藝參數(shù)和后熱處理曲線,，可以在廣泛的范圍內定制制造的 AL6061MOD 樣品的微觀結構和機械性能,。本研究的主要發(fā)現(xiàn)如下：

1.L-PBF AL6061MOD 樣品呈現(xiàn)由粗柱狀晶粒 (CCG) 和超細晶粒 (UFG) 組成的多模態(tài)晶粒。

2.AL6061MOD 的 UFG 和 CCG 的比例受激光能量密度的影響,。較高的激光能量密度會產生較高的 UFG 比例,，而較長的時間來沉淀初級 Al3(Sc,Zr) 粒子也起到了一定的作用。

3.通過后熱處理可以廣泛調整成品 AL6061MOD 的微觀結構和機械性能,。

（i）傳統(tǒng)的 T6 熱處理會導致晶粒 (晶粒尺寸約為 5.3 μm) 和 (Al,Si)3(Sc,Zr) 顆粒 (約為 42 nm) 變粗,，從而導致屈服強度降低 (約為 280 MPa)。

（ii）在 350 ℃ 下進行 DA 可促進納米級 Al3(Sc,Zr) 顆粒 (直徑約為 5 nm) 的析出,，同時保持雙峰晶粒和晶粒尺寸,，從而提供更高的屈服強度 (約為 383 MPa) 但加工軟化。

（iii）350 °C 下的 DA 產生的屈服強度比室溫下的成品樣品高,。然而,，在 200 °C 下測試時，DA 和成品樣品的屈服強度相似,。