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北理工增材頂刊：屈服提高200%，延伸率提高460%！通過控制增材凝固缺陷大幅Al-Li合金性能！

2021-05-17 11:22:05 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：本文發(fā)現(xiàn)在AA2196鋁鋰合金的WAAM過程中，在樹枝狀晶間的液體中可能會(huì)形成大孔隙鏈。經(jīng)過T6熱處理后，這些孔隙鏈實(shí)際上比沉積時(shí)的狀態(tài)長(zhǎng)大，超過50 µm的微孔尺寸從2.8％增加到5.8％，最大尺寸增長(zhǎng)到107 ?m。結(jié)合42％的熱變形和T6熱處理，封閉了微孔以及可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)T1沉淀，屈服拉伸強(qiáng)度（YTS）可以提高199％，極限拉伸強(qiáng)度（UTS）可以提高168％，延伸率可以提高460％，分別達(dá)到372 MPa、439 MPa和6.9％。因此，可以通過施加適當(dāng)?shù)臒嶙冃蝸?lái)消除WAAM過程中的凝固缺陷，這對(duì)于具有長(zhǎng)凝固范圍和高凝固裂紋敏感性的Al-Li合金非常有用。

Al-Li合金已獲得了廣泛的關(guān)注的最關(guān)鍵的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，由于低密度和高的比強(qiáng)度和剛度廣泛用于航空航天工業(yè)中。作為一種新型的鋁鋰合金，AA2196 Al-Li合金具有包括高模量和高比強(qiáng)度以及出色的抗損傷性在內(nèi)的優(yōu)異性。隨著航空航天制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)諸如復(fù)雜幾何形狀的鋁結(jié)構(gòu)部件提出了很高的要求。增材制造具有解決這些問題的優(yōu)勢(shì)。

作為增材制造家族的一員，電弧增材制造（WAAM）以其高沉積速率和設(shè)計(jì)靈活性而著稱。WAAM通常使用惰性氣體保護(hù)電弧焊工藝。到目前為止，WAAM生產(chǎn)了一系列鋁合金，包括Al–Cu合金（2xxx），Al–Mg–Si合金（6xxx）和Al–Zn合金（7xxx）。以前的文獻(xiàn)表明，孔隙率是WAAM處理的鋁合金的主要冶金缺陷，這犧牲了它們的機(jī)械性能。不幸的是，尚無(wú)關(guān)于TS對(duì)微孔缺陷的影響的系統(tǒng)研究。沒有提供消除WAAM制造的冶金缺陷的解決方案。

目前，微孔對(duì)機(jī)械性能的不利影響限制了WAAM鋁合金的應(yīng)用。微孔對(duì)Al-Li合金強(qiáng)度和韌性的不利影響使其成為主要缺陷之一。鋁合金是在WAAM更容易發(fā)生微孔制造過程中，由于氫的溶解度在液鋁是約在高溫下比的固體鋁的氫溶解度大20倍。WAAM生產(chǎn)的鋁鋰合金比其他鋁合金具有更大的微孔可能性，這是因?yàn)殇嚺c金屬絲表面的水分發(fā)生反應(yīng)，并且在高溫下氫原子吸收進(jìn)入液池。AA2196 Al-Li合金的Li含量為1.4-2.1％（重量），在高溫下與大氣有很好的反應(yīng)性。此外，如果大氣不受Ar氣體保護(hù)，鋰的表面氧化會(huì)繼續(xù)將氫吸收到熔池中，從而導(dǎo)致液體中氫過飽和。通常，沉積鋁合金的機(jī)械性能低于普通加工鋁合金的機(jī)械性能。，并且微孔缺陷的存在嚴(yán)重降低了合金的機(jī)械性能。因此，了解和分析WAAM過程中微孔的空間分布，熱處理后微孔的演變特征以及抑制微孔的方法對(duì)于提高鋁鋰合金的力學(xué)性能具有重要意義。

在此，北京理工大學(xué)王俊升教授研究了使用WAAM技術(shù)制造的AA2196 Al-Li合金的微孔缺陷。討論了熱變形和熱處理對(duì)WAAM AA2196 Al-Li合金微孔缺陷的影響。對(duì)樣品的微孔形態(tài)和分布以及力學(xué)性能進(jìn)行了表征和分析。此外，提出了一種減少WAAM Al-Li合金微孔率并促進(jìn)析出強(qiáng)化的方法，這對(duì)提高WAAM AA2196合金的力學(xué)性能具有重要意義。相關(guān)研究成果以題“Improving mechanical properties of wire arc additively manufactured AA2196 Al–Li alloy by controlling solidification defects”發(fā)表在金屬頂刊Additive Manufacturing上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102019

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與傳統(tǒng)的鑄造制造工藝相比，由于WAAM過程中的冷卻速度快，WAAM合金的晶粒尺寸小于100 µm，而不是傳統(tǒng)的鑄造工藝的100 µm以上。使用峰值時(shí)效熱處理，可以獲得90nm至160nm范圍內(nèi)的納米級(jí)T 1沉淀物。此外，還有少量的θ‘和富Ag的Ω強(qiáng)化相。

圖1。（a）WAAM沉積設(shè)置。（b）沉積的AA2196 Al-Li合金的四壁。（c）AA2196 Al-Li合金的沉積壁。（d）用于拉伸測(cè)試的狗骨樣品的尺寸。

圖2。（a）鋁鋰合金的屈服拉伸強(qiáng)度和泊松比隨溫度的變化；（b）Al-Li合金的密度和比熱隨溫度的變化。

圖3。WAAM處理的2196 Al-Li合金的微觀結(jié)構(gòu)分布：（a）晶粒尺寸表征，和（b）晶粒尺寸分布。

圖4。AA2196 Al-Li合金的SEM圖像，包括：（a）沉積的；（b）T6熱處理；（c）23％的熱變形+ T6熱處理；（d）42％的熱變形+ T6熱處理。

由于氫的高度過飽和，WAAM Al-Li零件也具有大量的微孔，其尺寸聚集在10–30 ?m，其中一些可能達(dá)到100 ?m。觀察到那些微孔沿著融合路徑排列，與在主體區(qū)域內(nèi)的那些相比，在中間沉積層處具有更高的密度和更大的尺寸。如果沒有熱變形，則隨后的T6熱處理實(shí)際上會(huì)加劇這種情況，而不是通過增大孔隙大小來(lái)遷移不良的機(jī)械性能。我們發(fā)現(xiàn)42％的熱變形和T6熱處理可以有效地封閉孔隙，并將其中的大多數(shù)降低到30 ?m以下，從而有效地消除了裂紋的萌生部位。

圖5。XCT在不同條件下使用AA2196 Al-Li合金中的XCT對(duì)3D（a，b，c，d）和2D（e，f，g，h）中的微孔進(jìn)行了表征：（b，f）T6；（c，g）23％熱變形+? T6熱處理；（d，h）42％熱變形+ T6熱處理。

圖6。在不同條件下，AA2196 Al-Li合金中微孔的等效直徑分布頻率：（a）WAAM ；（b）T6；（c）23％的熱變形+? T6熱處理；（d）42％熱變形+ T6熱處理。

通過X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（XCT）表征和有限元方法（FEM）模擬，我們發(fā)現(xiàn)了微孔封閉的機(jī)理。正是壓縮應(yīng)力和對(duì)拉應(yīng)力的精心控制才能使孔隙率降至最低。如果這兩個(gè)壓力沒有得到很好的控制（例如降低23％會(huì)發(fā)生什么情況），則將促進(jìn)微孔增長(zhǎng)而不是封閉微孔。因此，通過42％的熱變形然后進(jìn)行T6熱處理，我們成功地獲得了最佳性能，獲得了439 MPa的UTS和6.9％的伸長(zhǎng)率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了260 MPa時(shí)沒有熱變形的情況和0.9%時(shí)沒有熱變形的情況。

圖7。AA2196 Al-Li合金中WAAM，T6、23％熱變形+ T6和42％熱變形+ T6的狀態(tài)下的微孔聚集和最大的微孔形態(tài)的3D視圖：（a）WAAM；（b）T6；（c）23％熱變形+ T6；（d）42％熱變形+ T6。紅色顆粒表示大于50 ?m的微孔，藍(lán)色顆粒表示小于50 ?m的微孔。

圖8。（a）比較WAAM ，T6、23％熱變形+ T6和42％熱變形+ T6 AA2196 Al-Li合金的整體和局部孔隙率；（b）WAAM，T6、23％熱變形+ T6和42％熱變形+ T6的微孔聚集區(qū)域的平均當(dāng)量直徑和數(shù)密度的趨勢(shì)。

圖9。在T6條件下，WAAM AA2196 Al-Li合金中T 1，θ’和Ω析出的HAADF -STEM圖像；（a）沿[110] Al拍攝的TEM圖像；（b）θ‘沉淀；（c）T 1沉淀；（c）T 1和Ω析出。（b）和（d）是選定區(qū)域中包括Al，Cu，Ag和Mg在內(nèi)的元素的EDS映射。