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華中科技增材制造頂刊：增材制造高強度、無裂紋 Al-Cu-Mg-Y 合金！

2022-07-11 15:05:43 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：激光粉末床熔合( LPBF )高強度鋁合金（如 2xxx、6xxx 和 7xxx 系列合金）對凝固裂紋的敏感性很高。本文開發了一種無裂紋的新型高強度 Al-Cu-Mg-Y 合金，由 LPBF 使用稀土釔(Y) 改性 2024 合金粉末制造。在 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金中，稀土元素 Y 被認為是消除凝固裂紋的有效合金元素，這主要是由于脆性溫度范圍變窄、凝固裂紋減少的共同作用。Y元素也可以與Al和Cu反應。在 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金中，更多的 Al8Cu4Y 相和更細的晶粒導致比大多數 LPBF 制造的鋁合金具有更高的抗壓屈服強度。有趣的是，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金在高達70%的大壓縮應變下可以高度變形而不會塌陷。T6熱處理后， LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金在屈服點后的壓應力顯著增加。

作為基于粉末床的增材制造 (AM) 技術之一，激光粉末床熔合(LPBF) 已被用于制造具有幾何復雜性的金屬部件。由于對制造高強度輕質部件的高需求，LPBF 在鋁合金中的應用最近引起了極大的關注。如前所述，LPBF 廣泛使用的鋁合金是 Al-Si 系統（如 AlSi10Mg 和 AlSi12 合金），因為近共晶Si元素的組成可以改善熔融狀態下的液體流動性，減小凝固范圍，進而消除凝固過程中的裂紋。此外，LPBF 工藝參數的優化可以制造高密度的 Al-Si 合金，同時孔隙率水平顯著降低。LPBF 過程中的高加熱和冷卻速率允許在 Al-Si 合金中形成精細的微觀結構，從而與鑄造對應物相比具有更高的強度. 盡管后熱處理可以提高 LPBF 制造的 Al-Si 合金的延展性，但由于細孔共晶 Si相的粗化，強度開始顯著下降。因此，LPBF 制造的 Al-Si 合金的機械性能遠不能令人滿意。為 LPBF 設計的其他鋁合金系統是 Al-Mg-Sc 和 Al-Mn-Sc 合金。Sc元素的添加是消除凝固裂紋、實現強度與延展性協同的有效途徑。此外，直接時效可以通過形成細小的 Al 3 Sc 顆粒來進一步提高這些合金的機械性能。然而，元素 Sc 的高生產成本可能會限制 LPBF 制造的 Al-Mg-Sc 和 Al-Mn-Sc 合金的廣泛應用。

采用預熱處理對于避免 LPBF 制造的變形鋁合金中的凝固裂紋很重要。無裂紋 6061 合金已通過 LPBF 制造，并在 500 °C 下預熱粉末床[41] 。高溫預熱實現了降低的冷卻速度，確保在改進的凝固條件下消除裂紋。通過高溫預熱，LPBF 制造的 6061 合金中的熔池形態被去除，這與第二相沿柱狀晶界的粗化有關。T6熱處理后這種無裂紋合金的抗拉強度可與鍛造 6061 合金相媲美。然而，在 LPBF 過程中，較高溫度的預熱處理難以誘導細化微觀結構。

從鑄造性和力學性能的角度來看，稀土元素釔（Y）是一種很有前途的鋁合金微合金化元素。Y元素可以縮短鋁合金的凝固范圍，降低凝固裂紋傾向，提高鋁合金的力學性能。一個典型的例子是 Pozdniakov 等人報道的鑄造 Al-Cu-Y 合金。在他們的工作中，Al-Cu-Y 合金表現出與商業 Al-Si 合金相似的低凝固裂紋敏感性。由于元素 Y 的添加，富 Y共晶相在鑄態下形成顯示出高熱穩定性的。在淬火和隨后的軋制之后，這種合金可以實現強度和延展性的良好結合。上述討論強調了一種通過添加元素 Y 由 LPBF 制造無裂紋變形鋁合金的新策略。目前的工作是使用 Y 改性 2024 合金粉末通過 LPBF 開發一種新型 Al-Cu-Mg-Y 合金。從脆性溫度范圍、凝固裂紋敏感性和細化晶粒等方面討論了LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金的裂紋消除機理。微觀結構演變并詳細研究了其在LPBF工藝和T6熱處理過程中對無裂紋Al-Cu-Mg-Y合金力學性能的影響。這項工作為開發適用于 LPBF 的新型高強度鋁合金提供了基礎。

華中科技大學材料科學與工程學院Shang Zhu教授團隊研究了 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的微觀結構和壓縮性能，并與不含 Y 的 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金進行了比較。添加Y元素被證明是消除凝固裂紋和改善壓縮性能的有效途徑。主要結論總結如下：

1.與 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金沿構建方向包含幾乎筆直的凝固裂紋不同，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金無裂紋，孔隙率為 1.27 ± 0.12 vol%。凝固裂紋消除與脆化溫度范圍、凝固裂紋敏感性指數和細化晶粒有關。首先，Y元素的添加導致脆化溫度范圍變窄，這意味著發生凝固裂紋的可能性有限。其次，Y元素可以降低裂紋敏感性指數，從而提高抗裂性。第三，Y元素細化了晶粒，提高了進液能力，增韌了半固態材料。因此，抑制了相鄰晶粒之間凝固裂紋的形成。

2.與 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金的顯微組織相比，Y 元素的添加導致LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 中的 Al 8 Cu 4 Y 相取代了 Al 2 Cu 相合金。Al 8 Cu 4 Y 相的形成主要是由于這些相的生成焓比較負和元素 Y 的化學性質活躍。另外，晶粒長大限制因子隨著元素 Y 的加入而增加，細化了晶粒。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金中的晶粒。

3.在 T6 熱處理后，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金顯示出從 Al 8 Cu 4 Y 枝晶到 Al 8 Cu 4 Y 顆粒的轉變。隨后，較大的Al 8 Cu 4 Y 顆粒開始粗化，但以小的Al 8 Cu 4 Y 顆粒為代價。Al 2 CuMg 和Al x Mn y顆粒的形成也同時發生。此外，在Al基體的{111}面上形成了片狀的Ω析出物。考慮到由分布顆粒（Al 8 Cu 4 Y、Al2 CuMg 和 Al x Mn y ) 在 Al 基體中，在 T6 熱處理后，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的整體晶粒結構沒有改變。

4.LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的抗壓屈服強度為 267 ± 10 MPa，高于大多數 LPBF 制造的鋁合金。在 T6 熱處理后，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金在屈服點后由于 Ω 析出物的形成而顯示出壓縮應力的快速增加，從而在塑性變形過程中產生高水平的抗剪切性. 比較LPBF制備的Al-Cu-Mg-Y合金T6熱處理前后的抗壓和抗拉特性，抗拉強度低于抗壓強度。這種差異可歸因于 LPBF 制造和 T6 熱處理的 Al-Cu-Mg-Y 合金中的內部孔隙。這些孔隙在拉伸試驗期間充當應力集中，從而導致強度降低。

相關研究成果以題“Microstructure characterization and mechanical properties of crack-free Al-Cu-Mg-Y alloy fabricated by laser powder bed fusion”發表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422003992

圖 2。LPBF 過程中掃描策略的示意圖。

圖 3。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金和 (b) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的 OM 視圖。(c) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金和 (d) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的顯微 CT 圖像，插圖顯示沿構建方向 (BD) 的代表性截面。

圖 4。(a, b, c) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金和 (d, e, f) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的 SEM 圖像。圖4b和c是圖4a中標記區域的放大圖。圖 4 e 和 f 是圖 4 d中標記區域的放大圖。MPB 是指熔池邊界，MPC 是指熔池中心。MPB 在圖4a和 d中由白色虛線表示。

圖 5。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 和 Al-Cu-Mg-Y 合金的XRD 圖(a) 和 DSC 冷卻曲線 (b)。圖 5a中的插圖顯示了 25° ≤ 2θ ≤ 60° 之間的 XRD 圖案的放大圖。

圖 6。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的 TEM 分析。(a) HAADF-STEM 圖像和相應的元素映射，(b) HRTEM 圖像和與虛線標記的區域相對應的快速傅里葉變換(FFT) 模式。

圖 7。實驗合金的EBSD分析。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金的取向顏色圖，(b) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的取向顏色圖，(c) LPBF 制造的 Al- 極圖Cu-Mg 合金，(d) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的極圖，(e) 兩種合金的晶粒尺寸分布。

圖 8。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 和 Al-Cu-Mg-Y 合金的熱導率和 (b) 2024 粉末和 2024/Y 混合粉末的激光反射率。

圖 9。T6熱處理后LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金的顯微組織表征。(a) OM 視圖，(b, c) SEM 圖像，(d, e) XRD 圖案。圖9c是圖9b中標記區域的高倍放大圖。圖9e是圖8d所示區域的放大圖。

圖 10。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金隨后進行 T6 熱處理的 EPMA 結果。(a) SEM背散射電子圖像和 (bf) 對應于圖10a 的元素分布。

圖 11。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金在 T6 熱處理后的 HRTEM 圖像和 (b) 與圖 10a 中標記的區域相對應的快速傅里葉逆變換 (FFT)圖像。圖10a 中的插圖顯示了沿 Al 矩陣的<110>區域軸的相應 FFT 模式。插圖中的箭頭指向連續的擴散條紋。

圖 12。T6熱處理后LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金的EBSD分析。(a) 取向顏色圖，(b) 極圖和 (c) 粒度分布。

圖 13。(a) 本合金的壓縮工程應力-應變曲線。插圖顯示了 LPBF 制造和 T6 熱處理的 Al-Cu-Mg-Y 合金的壓縮工程應力-應變曲線，為清楚起見，顯示了高達 30% 的應變。(b) 本合金與其他 LPBF 制造的鋁合金 (AlSi10Mg [2] , Al-Mg-Sc-Zr [22] , AlSi12 [77] , Al-Zn-Mg-Cu ) 的抗壓屈服強度比較[50]和 Al-Zn-Mg-Cu-Si [65] )。(c)斷裂面LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金在壓縮后的性能。(d) (c) 所示標記區域的放大圖。(e) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金壓縮后的宏觀形貌和 (f) 其圓柱表面上的一些裂紋。(g) T6 熱處理 Al-Cu-Mg-Y 合金壓縮后的宏觀形貌和 (h) 其圓柱表面上的一些裂紋。