西安交大卢秉恒院士增材制造顶刊《AM》：增材制造新型高性能钛纤维增强5xxx铝合金

来源：材料学网

导读：5xxx铝合金由于其良好的焊接性和耐腐蚀性等优点，在不同的工业领域得到了广泛的应用。然而，它们的那些强度低于2xxx和7xxx的同类产品，限制了它们在高承重条件下的应用。为了提高增材Al5183铝合金的力学性能，本工作首次采用双丝进给系统的线基定向能量沉积-电弧制造(DED-arc)方法制备了钛纤维增强铝(TFRA)构件。通过严格控制进给路径和电弧热输入，使增强钛纤维保持固态。钛合金丝与铝合金基体界面厚度约为3 ~ 10 μ m，化学成分呈梯度转变，无明显开裂倾向。结果表明，与非纤维增强铝构件相比，添加10.5%体积分数的钛纤维，TFRA构件的屈服率和抗拉强度分别提高了124%和33%。同时，冲击能量从原来的7.9 ~ 18.0 J提高了128%，通过混合律理论对强度的增加进行了分析，并通过有限元模拟进行了验证。TFRA构件冲击性能的提高是由于钛纤维阻断了铝基体中的裂纹扩展。因此，本工作为利用电弧制备连续纤维高强度铝合金提供了一种有前景的方法。

铝合金由于其重量轻、易于成型和加工等优点，被广泛应用于航空航天和机械等不同领域。其中5xxx系列铝合金具有优异的耐腐蚀性和可焊性等特点。然而，它们的抗拉强度仍然不如2xxx系列和7xxx系列铝合金，限制了它们在高承重条件下的应用。通常采用热处理来提高材料的机械强度，但在实际应用中，5系铝合金很难通过热处理来强化，因为热处理会导致材料的伸长率急剧下降，从而影响材料的整体力学性能。

微量合金元素的加入也有助于改善材料的力学性能。在Al5183焊丝材料中加入合金微量元素Zr和Er，使其抗拉强度提高了40 MPa，有效地促进了精细化Al3Er、Al3Zr和Al3(Zr, Er)相的形成。在5xxx铝合金中加入Sc并进行回火热处理，也可获得很好的强化效果和较高的屈服强度。已有研究表明，在铝合金中加入Sc可以显著提高铝合金的抗拉强度，从301 MPa提高到377 MPa。然而，稀土元素Sc的高成本(每0.1%的Sc含量增加约3美元/公斤的成本)，阻碍了Sc作为合金添加剂在工业上的广泛应用。此外，Al3Sc颗粒难以在熔池内均匀分布。近年来一些开创性的研究报道了Al3Sc通常在熔池边界附近积累，因此还需要热处理来进一步调节显微组织。因此，迫切需要开发一种低成本、工艺简单、易于实施的提高5xxx铝合金强度的替代技术。通过在铝基合金中加入纤维或颗粒形成金属基复合材料，也是提高材料力学性能的重要方法。连续纤维增强铝基体可以显著提高材料沿纤维方向的强度，但主要可以通过挤压铸造工艺制备简单成型件。引入强化剂SiC、陶瓷颗粒、碳纳米管和碳化物颗粒也是一种有效的方法。但上述结果表明，铝合金的硬度和强度可以明显提高，但塑性和韧性降低。因此寻找新的方法来同时提高强度和延性需要提上日程。

增材制造技术具有较高的灵活性，这为提高材料性能提供了一种新的途径。在此基础上，本文对提高增材制造铝合金的材料强度进行了大量研究。基于激光的增材制造如粉末床熔合和定向能量沉积，已成为近年来的重要研究课题。然而，激光在铝合金上的高反射率导致吸收效率低，过程不稳定。因此，大多数不可焊接的高强度铝合金，如2xxx和7xxx系列铝合金，在激光增材制造过程中容易出现裂纹缺陷。定向能沉积电弧制造技术(DED-arc)作为一种新兴技术，因其成形效率高、成本低而可应用于大规模工业生产。这种先进的技术引起了极大的关注，促进了其快速发展，尤其是铝合金。5xxx系列铝合金具有优异的耐腐蚀性和可焊性等特点，使其适合于DED-arc的候选材料。特别是基于冷金属转移(CMT)的DED-arc由于其高沉积速率、低热输入和有限的溅射而引起了人们的极大兴趣。然而，DED-arc技术也存在一些缺点，如强度较差，这主要是由于存在等孔隙缺陷。因此，许多研究人员将重点放在降低孔隙率上，如采用工艺优化和辅助工艺。结果表明，经层间轧制[33]可显著改善DED-arc制备的铝合金构件的性能。通过添加层间锤击辅助手段，减少了气孔缺陷。研究表明，通过减少孔隙率等缺陷，可以达到提高机械强度的有利效果。通过工艺优化或层间变形，DED-arc制备的材料机械强度基本能满足板材的标准要求，但难以获得更优越的性能。

在此，西安交通大学、方学伟团队采用基于CMT的丝弧增材制造技术制备了钛纤维增强铝合金(TFRA)构件,对TFRA构件的拉伸和冲击性能进行了表征，并与非增强构件进行了对比分析。采用金相显微镜和扫描电子显微镜对铝基体和钛纤维增强体的微观结构及界面进行了详细研究。最后，利用扫描电镜进行了断口形貌分析，并对TFRA组分的强化增韧机理进行了评价。相关研究成果以题“Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy”发表在Additive Manufacturing上。

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860423000581

图1 (a)电弧双丝纤维增强添加剂工艺原理示意图;(b)电弧双线纤维增强添加剂装置实物图;(c)火炬振荡模式示意图;(d) TFRA组件中Al5183和Ti64光纤的x射线测试结果。

图2  TFRA取样示意图。

(a)TFRA沉积体;(b)冲击样本;(c)金相样品;(d)拉伸样品;(e)密度试验样品。

图片

有限元模型和边界条件。

图4  金相组织机理图。

(a)宏观形貌;(b)纤维增强钛合金丝材与铝合金基板的围合形态;(c)线材中晶粒微观结构差异示意图。

图5 线材上、中、下位置界面SEM、EDS图。

(a)、(d)、(g)分别为线材与铝合金基板的上、右、下侧界面，无裂纹或未熔透缺陷。图5(b)、(e)、(h)分别为局部放大的上、中、下区域细节;图5(c)、(f)、(i)为各区域元素组成的线扫描图。

图6 原始Ti64的IPF图像，如建成的Al5183铝合金和TFRA

(a)原装Ti64线;(b) Al5183铝合金沉积;(c) TFRA沉积上部(I区+部分II区);(d) TFRA沉积下部(第II区);(e) TFRA沉积上部I区部分界面面积;(f) TFRA下部第II区部分界面区。

图7 铝合金上下区域极坐标图

(a)铝合金上半部，(b)铝合金下半部。

图8 Ti64合金的极性图。

(a)粗电线;(b)钛合金丝I区;(c)钛合金丝中的II区。

图9 (a) Ti64、Al5183沉积和钢丝添加剂TFRA的拉伸(应力-应变)曲线;(b) 5系铝合金电弧焊或丝材添加剂的拉伸性能。

图10 (a)摆锤对Al5183和TFRA的冲击结果图;(b) TFRA在撞击过程中的示意图。

图11 (a) TFRA拉伸试样断口形貌;(b)铝合金基体断口形貌;(c)钛合金丝材的边缘过渡区;(d)钛合金丝纤维区-辐射区形态;(e)钛合金丝纤维带形态;(f)钛合金丝辐射区的形态。

图12  TFRA试样冲击试验结果的形貌。

(a)冲击试样的断裂形态;(b)断丝的断口形态;(c)对应的成分扫描分布;(d) Ti分布;(e) Al分布;(f) V分布;(g) Mg分布。

图13所示。拉伸试验得到的工程应力-应变曲线。

综上所述，本文利用CMT - DED -电弧成功制备了钛合金纤维增强铝合金(TFRA)壁状构件，并显著提高了构件的强度和冲击韧性。根据本研究的结果，可以得出以下结论:
1）采用CMT - DED -电弧双丝进给系统制备了稳定、均匀的钛纤维增强铝合金构件。通过控制钛合金丝的进给路径和沉积过程中的电弧热输入，使钛合金丝保持固态。
2）钛合金丝与铝合金基体界面厚度约为3 ~ 10 μ m，化学成分呈梯度转变，无明显开裂倾向。振荡模式避免了CMT - DED -电弧过程中产生较厚的脆性金属间相。
3)与未增强的DED-弧铝构件相比，添加10.5%体积分数的钛纤维后，TFRA构件的屈服强度、抗拉强度和比强度分别提高了124%、33%和25%。同时，其延伸率保持在20%左右，与铝合金构件板的延伸率一致。混合定律理论和有限元分析验证了材料性能的改善主要是由于钛增强纤维的引入。
4）与未加固构件相比，TFRA构件的冲击能提高了128%。这是因为铝基体的裂纹扩展被钛纤维阻断，冲击过程中吸收了大量的冲击能量。