第一作者：國新鵬博士生

通訊作者：李會(huì)軍教授，倪丁瑞研究員

通訊單位：伍龍貢大學(xué)，中科院金屬所

DOI: 10.1016/j.jmst.2022.12.007

01 全文速覽

本研究采用研制的7B55-Sc鋁合金絲材，利用冷金屬過渡（CMT）電弧增材制造技術(shù)（WAAM）成功制備了無裂紋的Al-Zn-Mg-Cu-Sc鋁合金構(gòu)件，經(jīng)T6熱處理后，鋁合金樣件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到618 MPa，在WAAM鋁合金領(lǐng)域首次突破了600 MPa的強(qiáng)度級(jí)別。

02 研究背景

電弧增材制造（WAAM）是以電弧為熱源，以絲材為填充材料，按照設(shè)定的路徑逐層堆積，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件短流程、近成形的先進(jìn)加工技術(shù)。它具有熔敷效率和材料利用率高的優(yōu)點(diǎn)，非常適合于大尺寸金屬構(gòu)件的高效、快速制造。7系超高強(qiáng)度鋁合金由于具有高的比強(qiáng)度、良好的耐蝕性和加工性能而廣泛用于航空航天領(lǐng)域輕質(zhì)、高強(qiáng)零部件的加工制造。然而現(xiàn)有的7系鋁合金在熔化焊過程中極易產(chǎn)生熱裂紋缺陷，被認(rèn)為是“不可焊”鋁合金。使用現(xiàn)有的鋁合金絲材進(jìn)行WAAM，很難獲得無裂紋的具有超高強(qiáng)度的鋁合金構(gòu)件。因此，設(shè)計(jì)優(yōu)化7系鋁合金的化學(xué)成分，開發(fā)出適用于WAAW的超高強(qiáng)度鋁合金專用絲材，已經(jīng)成為突破大尺寸超高強(qiáng)度鋁合金WAAW技術(shù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題。

03 本文亮點(diǎn)

中科院金屬所、澳大利亞伍倫貢大學(xué)以及沈陽航空航天大學(xué)等單位合作，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化7系鋁合金絲材的化學(xué)成分，添加孕育劑Sc、Zr元素，優(yōu)化熔煉工藝以及采用連續(xù)擠壓成絲新技術(shù)，開發(fā)了一種適用于WAAM工藝的新型超高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu-Sc鋁合金絲材，命名為7B55-Sc，采用CMT工藝成功制備了無裂紋的鋁合金構(gòu)件。經(jīng)過T6熱處理后，WAAM的7B55-Sc鋁合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了618 MPa，在WAAM鋁合金領(lǐng)域首次突破了600 MPa的強(qiáng)度級(jí)別。其強(qiáng)化機(jī)理是: 凝固時(shí)形成的初生微米級(jí)的Al3Sc、Al3(Sc,Zr)顆粒在WAAM過程中作為非均質(zhì)形核核心，促進(jìn)了細(xì)小等軸晶組織的形成；而經(jīng)T6熱處理后，晶內(nèi)析出大量的與基體保持共格關(guān)系的GP區(qū)、η′ 相和Al3(Sc,Zr)顆粒是WAAM 7B55-Sc鋁合金具有超高強(qiáng)度的主要原因。研究成果有助于實(shí)現(xiàn)航空航天領(lǐng)域大尺寸、超高強(qiáng)度鋁合金部件的快速增材制造的需求。相關(guān)論文以題為“ Microstructure and mechanical properties of 600 MPa grade ultra-high strength  aluminum alloy fabricated by wire-arc additive manufacturing”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

04 圖文解析

圖1 (a) 7B55-Sc鋁合金絲材; (b)WAAM系統(tǒng); (c)無裂紋單道多層鋁合金構(gòu)件

圖2 (a)取樣位置示意圖; (b)拉伸試樣尺寸

圖3 7B55-Sc合金沉積態(tài)和T6熱處理后不同截面的金相組織: (a, b) 沉積態(tài)下的YOZ和XOZ截面的金相組織; (c, d) T6熱處理狀態(tài)下的YOZ和XOZ截面的金相組織

圖4 7B55-Sc合金沉積態(tài)和T6熱處理后的EBSD分析結(jié)果: (a, b, c, d) 沉積樣品和 (e, f, g, h) T6熱處理樣品的EBSD IPF圖、晶粒大小分布、晶界角分布和極圖

圖5 WAAM過程中等軸晶形成機(jī)理示意圖

圖6 7B55-Sc合金沉積態(tài)和T6熱處理之后的BSE圖像和點(diǎn)掃描結(jié)果: (a) 沉積狀態(tài) (b) T6熱處理狀態(tài)

圖7 7B55-Sc合金沉積態(tài)和T6熱處理后的XRD圖

圖8 7B55-Sc合金沉積態(tài)下晶內(nèi)析出第二相的STEM結(jié)果: (a) 7B55-Sc合金沉積態(tài)下晶內(nèi)STEM圖像; (b) η′ 相的 HAADF-STEM圖像和EDS圖; (c，d) 區(qū)域A的放大圖和 η′ 相的FFT; (e) ηMg(Zn,Cu,Al)2 相和 T 相的HAADF-STEM圖像和EDS圖; (f, g) 區(qū)域B的放大圖和 ηMg(Zn,Cu,Al)2 相的FFT; (h, i) 區(qū)域C的放大圖和 T 相的FFT

圖9 7B55-Sc在T6熱處理后晶內(nèi)析出第二相的STEM結(jié)果: (a) 7B55-Sc合金在T6熱處理后晶內(nèi)STEM圖像; (b) T6熱處理之后的 η′ 相，GP區(qū)和次生Al3(Sc,Zr) 的HAADF-STEM圖像和EDS圖; (c, d) 區(qū)域D的放大圖和次生Al3(Sc,Zr) 的FFT; (e) 次生Al3(Sc,Zr) 的殼核結(jié)構(gòu)

圖10 7B55-Sc合金在沉積態(tài)和T6熱處理?xiàng)l件下的拉伸性能: (a) 7B55-Sc合金在水平和垂直方向的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線; (b) 拉伸試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖11 WAAM增材制造不同鋁合金的強(qiáng)度和伸長率對(duì)比

圖12 7B55-Sc合金沉積態(tài)和T6熱處理的斷口形貌: (a) 沉積狀態(tài)下的水平和 (b)豎直方向的斷口形貌 (c) T6熱處理狀態(tài)下的水平和 (d) 豎直斷口形貌

05 結(jié)論展望

(1) 7B55-Sc合金在沉積態(tài)和T6熱處理?xiàng)l件下的微觀組織均是由細(xì)小的等軸晶組成，T6熱處理后晶粒無粗化現(xiàn)象，平均晶粒尺寸約為6.0 μm。

(2) 沉積態(tài)條件下，初生的Al3(Sc,Zr) 顆粒在凝固過程中作為非均質(zhì)形核核心，促進(jìn)了細(xì)小等軸晶的形成。在T6熱處理后析出的次生納米級(jí)的Al3(Sc,Zr) 顆粒不僅提高了鋁合金的熱穩(wěn)定性，阻礙晶粒長大，而且具有析出強(qiáng)化作用。

(3) 在沉積態(tài)條件下，晶界析出了大量連續(xù)的共晶組織，晶內(nèi)析出相為 η' 相、η 相和 T 相。T6熱處理后，分布于沿晶界的共晶組織大部分溶入到Al基體中，而晶內(nèi)析出了大量的GP區(qū)、η' 相和次生的Al3(Sc,Zr) 顆粒，導(dǎo)致強(qiáng)度顯著提高。

(4) T6熱處理后，試件水平方向的平均UTS、YS和伸長率分別為618±4MPa，542±6MPa和 5.7%±0.7%。抗拉強(qiáng)度成功突破了600 MPa，這是迄今報(bào)道的WAAM鋁合金中強(qiáng)度最高水平。

06 引用本文

Xinpeng Guo, Huijun Li*, Peng Xue, Zengxi Pan, Rongzheng Xu, Dingrui Ni*, Zongyi Ma, Recent advances in designing ZnIn2S4-based heterostructured photocatalysts for hydrogen evolution, J. Mater. Sci. Technol. 149 (2023) 56-66.