大连理工大学马广义教授：激光-电弧复合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金高温力学性能

来源 :材料科学与工程

与目前常规Ti和Ni基高温合金相比，能够承受工作温度>40%Tm（Al的熔点）铝合金越来越受关注。作为可沉淀强化的轻质材料，Al-Zn-Mg-Cu合金因其高比强度、高损伤容限和优异的可加工性能而被广泛应用航空航天领域。但当其暴露在>340K温度时，强度变得对温度极度敏感。需要迫切考虑Al-Zn-Mg-Cu合金高温力学性能，这对服役安全至关重要。

基于此，大连理工大学机械工程学院马广义、吴东江教授在不改变合金化学成分的情况下，利用“激光-电弧复合增材+热处理”方式实现Al-Zn-Mg-Cu合金高温力学性能提升。相关论文以题为“Enhanced high-temperature mechanical properties of laser-arc hybrid additive manufacturing of Al-Zn-Mg-Cu alloy via microstructure control”，发表在冶金顶级期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.071

利用三维XCT重构成形样件内部缺陷，发现热处理态样件气孔密度增加，一方面，残余氢在热运动下聚集并膨胀，形成孔隙；另一方面，大量的第二相溶解，其原位留下孔洞，表现为不规则的微孔。沿沉积方向截面上观察到双峰异质组织，即电弧区的柱状晶和激光区的等轴晶。晶界取向角度差有两种，包括低角度晶界（2°≤LAGB<15°）和高角度晶界（15°≤HAGB）。研究发现，沉积态试样以LAGB为主，比例为52.7%，热处理态样件以HAGB为主，比例增加至75.2%。高温处理下，LAGB亚晶界位错在热激活能和空位扩散机制下解离和滑移，使亚晶界向周围晶界的迁移，导致从小角度到大角度转变。少量的η相分布在沉积态样件晶粒内部，大量的第二相以共晶组织形式聚集在晶界；而高密度的η′相分布在热处理态样件中。沉积态Al-Zn-Mg-Cu合金的高温（473K）抗拉强度为240 ± 15 MPa，而热处理态高温抗拉强度达到362 ± 20 MPa，断后伸长率为6.8 ± 0.3%，该合金的综合高温力学性能优于大多数LBPF制备和WAAM制备的AlSi10Mg、Al-Cu及Al-Mg-Sc合金。

图1激光-电弧复合增材Al-Zn-Mg-Cu合金缺陷-组织-性能演变规律

基于热力学和动力学理论，计算了析出相溶解、形核生长临界条件，并探讨高温拉伸后微观组织与力学性能演变机理。Zn和Mg元素扩散速率与温度呈指数正相关，473K下扩散速率是室温的~108倍。因此，热处理态样件暴露在473K高温拉伸条件下，原有的η′相发生溶解和粗化。另外，位错可借助高温环境提供的热激活能和空位扩散克服障碍，易产生位错滑移与攀移，故热处理态Al-Zn-Mg-Cu合金的高温强度显著低于室温强度。相较于沉积态样件，热处理态样件高温力学性能提升的原因包括两方面：第一，HAGB由交替的无序和规则原子阵列组成，防止了位错转移到相邻的晶界，故HAGB产生位错攀升的障碍；第二，亚稳态η′沉淀相产生晶格畸变和应变场，阻碍位错运动并增加抗滑移变形能力。

图2（a）高温拉伸实验前热处理态样件TEM图；（b）高温拉伸实验后热处理态样件TEM图。

图3（a）热处理态样件中η′相HRTEM图；（b）图（a）的逆FFT；（c）GPA分析应变（εxx）；（d）图（c）沿箭头方向提取的应变分布；（e）沉积态样件η相的HRTEM和FFT图；（f）GPA分析应变（εxx）；（g）图（f）沿箭头方向提取的应变分布。

图4通过热处理调控微观组织示意图：（a）沉积态样件；（b）热处理态样件。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。