高性能無需熱處理的Al-6Mg-0.3Sc合金的電弧增材制造研究

來源： WAAM電弧增材

在對增材制造的部件進(jìn)行熱處理過程中釋放的殘余應(yīng)力可能會導(dǎo)致顯著的變形,，尤其是對于那些具有薄壁特征和變截面的部件,。傳統(tǒng) Al-Mg 合金是不可熱處理材料,，添加鈧（Sc）后會形成 Al3Sc 納米沉淀物,，在凝固時(shí),，初生 Al3Sc（微米級）可作為異質(zhì)形核點(diǎn)細(xì)化晶粒,，經(jīng)合適熱處理可析出次生 Al3Sc（納米級）粒子,，能固定位錯和亞晶界增強(qiáng)合金，有利于大型部件成型,，沉積后可直接使用,，無需復(fù)雜昂貴的后熱處理。

電弧模式是電弧增材制造的關(guān)鍵參數(shù),，在冷金屬過渡 + 脈沖電�,。–MT + PA）模式下對晶粒尺寸和孔隙率影響顯著，不同的電弧模式對晶粒尺寸和孔隙率影響機(jī)制的進(jìn)一步深入研究仍然有限,，對微觀結(jié)構(gòu)演變和強(qiáng)化機(jī)制的影響尚不清楚,。雖然在 Al-Mg-Sc 合金增材制造文獻(xiàn)中已報(bào)道雙峰微觀結(jié)構(gòu)能顯著提高部件強(qiáng)度-塑性協(xié)同，但在增材制造領(lǐng)域?qū)﹄p峰結(jié)構(gòu)的控制尚未實(shí)現(xiàn),。

近日,，西安交通大學(xué)在工程技術(shù)領(lǐng)域頂刊Journal of Manufacturing Processes上發(fā)表了題為"Wire-arc directed energy deposition of high performance heat treatment free Al-6Mg-0.3Sc alloy"的研究成果。在這項(xiàng)研究中,，通過使用電弧增材技術(shù)成功制造了高性能無需熱處理的Al-6Mg-0.3Sc合金部件,，實(shí)現(xiàn)了屈服強(qiáng)度為223.0 ± 0.9 MPa、抗拉強(qiáng)度為408.5 ± 3.2 MPa,、延伸率為20.6 ± 1.7%的優(yōu)異機(jī)械性能,。結(jié)果表明，與CMT電弧模式相比,，CMT + PA電弧模式能產(chǎn)生更明顯的雙峰微觀結(jié)構(gòu),，改善了延伸率。機(jī)械性能增強(qiáng)機(jī)制更多依賴于固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化,，而不是沉淀強(qiáng)化,。此外，這項(xiàng)研究首次建立了熔滴過渡與微觀結(jié)構(gòu)演變之間的相關(guān)性,。


圖1. WAAM系統(tǒng)：
(a) 原理圖,；(b) 成型設(shè)備；
(c) 沉積策略,；(d) 樣品取樣位置和尺寸,；
(e) CMT電弧模式樣品；
(f) CMT + PA電弧模式樣品


圖 2. CMT 電弧模式：
（a-g）熔滴過渡圖像及其示意圖,；
（h）電流和電壓波形

圖3. CMT + PA電弧模式：
(a-g) 熔滴過渡的圖像及其示意圖,；
(h) 電流和電壓波形


圖 4. 不同電弧模式下的熔池形態(tài)：
（a）CMT；（b）CMT + PA


圖 5. 不同電弧模式的 XCT 圖像和孔徑統(tǒng)計(jì)：
（a）CMT,；（b）CMT + PA


圖 6. 不同電弧模式下 Al-Mg-Sc 合金的 XRD 圖樣


圖 7. 不同電弧模式下的金相圖像：
（a）CMT,；（b）CMT + PA


圖 8. CMT 和 CMT-PA 樣品的 EBSD 分析：
CMT 樣品：(a1) IPF（反極圖）圖；
(a2) 晶粒尺寸分布,；
(a3) PF（極圖）圖,；
CMT + PA 樣品：(b1) IPF 圖；
(b2) 晶粒尺寸分布,；
(b3) PF 圖


圖 9. 不同電弧模式下 FG 區(qū)域的
SEM 圖像和相應(yīng)的 EDS 圖：（a）CMT,；（b）CMT + PA


圖 10. 不同電弧模式下 CG 區(qū)域的
SEM 圖像和相應(yīng)的 EDS 圖：（a）CMT；（b）CMT + PA

關(guān)鍵結(jié)論
在這項(xiàng)研究中,，成功地使用電弧增材制造技術(shù)制造了高性能無需熱處理的Al-Mg-Sc合金部件,。揭示了不同電弧模式對機(jī)械性能、缺陷,、微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化機(jī)制的影響,。

（1）利用CMT + PA電弧模式，可以在沉積狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能,，屈服強(qiáng)度為223.0 ± 0.9 MPa,，抗拉強(qiáng)度為408.5 ± 3.2 MPa，延伸率為20.6 ± 1.7%,。這主要?dú)w因于固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化,，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

（2）CMT + PA電弧模式可以將平均晶粒尺寸細(xì)化到7.1 ± 1.65 μm,，并將孔隙率降低到0.028%,。

（3）CMT + PA電弧模式獨(dú)特的熔滴過渡工藝和較低的熱輸入產(chǎn)生了更明顯的雙峰微觀結(jié)構(gòu)（粗大的CG和更細(xì)的大面積FG）。CMT + PA電弧模式誘導(dǎo)的更明顯的雙峰微觀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了HDI強(qiáng)化,，同時(shí)提高了屈服強(qiáng)度和延伸率,。

（4）論文提出了一種可行的方法來增強(qiáng)電弧增材制造的的Al-Mg-Sc合金部件的沉積性能，為避免電弧增材制造的大型部件所需的繁瑣熱處理提供了方向,。

通訊作者
方學(xué)偉,，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，第七屆中國科協(xié)青年人才托舉工程入選者,，師從盧秉恒院士,。主要研究方向?yàn)榇笮谓饘贅?gòu)件高效增材制造工藝及裝備，金屬增材制造微觀組織性能調(diào)控及金屬增材制造過程數(shù)值計(jì)算模擬等,。在金屬增材制造領(lǐng)域國際高水平SCI期刊Addit Manuf,、Virtual and Physical Prototyping,、Int J Extreme Manuf、Int J Mach Tools Manuf等發(fā)表論文40余篇,，出版中文教材1部,，撰寫英文章節(jié)1章，中文專著2部,，授權(quán)國家發(fā)明專利30余項(xiàng),。擔(dān)任Additive Manufacturing Frontiers、機(jī)械工程學(xué)報(bào),、焊接學(xué)報(bào),、電焊機(jī)雜志等中英文期刊編委/青年編委，擔(dān)任SCI期刊Frontiers in Materials,、Coatings客座編輯,，Additive Manufacturing、Int J Extreme Manuf等領(lǐng)域頂級期刊審稿人,。擔(dān)任中國機(jī)械工程學(xué)會再制造分會委員,、中國有色金屬學(xué)會增材制造分會委員、增材制造分會青年委員,、焊接分會青年委員,。主持重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、JCJQ重點(diǎn)項(xiàng)目課題,、國家自然科學(xué)基金,、博士后面上/特別資助、航空基金,、航天基金等項(xiàng)目20余項(xiàng),。

論文引用
Kai Li, Xuewei Fang, Jiannan Yang, Xinzhi Li, Minghua Ma, Jiahao Shang, Ke Huang. Wire-arc directed energy deposition of high performance heat treatment free Al-6Mg-0.3Sc alloy: Journal of Manufacturing Processes125(2024) 589-603.

DOI:https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.07.088