高性能无需热处理的Al-6Mg-0.3Sc合金的电弧增材制造研究

来源： WAAM电弧增材

在对增材制造的部件进行热处理过程中释放的残余应力可能会导致显著的变形，尤其是对于那些具有薄壁特征和变截面的部件。传统 Al-Mg 合金是不可热处理材料，添加钪（Sc）后会形成 Al3Sc 纳米沉淀物，在凝固时，初生 Al3Sc（微米级）可作为异质形核点细化晶粒，经合适热处理可析出次生 Al3Sc（纳米级）粒子，能固定位错和亚晶界增强合金，有利于大型部件成型，沉积后可直接使用，无需复杂昂贵的后热处理。

电弧模式是电弧增材制造的关键参数，在冷金属过渡 + 脉冲电弧（CMT + PA）模式下对晶粒尺寸和孔隙率影响显著，不同的电弧模式对晶粒尺寸和孔隙率影响机制的进一步深入研究仍然有限，对微观结构演变和强化机制的影响尚不清楚。虽然在 Al-Mg-Sc 合金增材制造文献中已报道双峰微观结构能显著提高部件强度-塑性协同，但在增材制造领域对双峰结构的控制尚未实现。

近日，西安交通大学在工程技术领域顶刊Journal of Manufacturing Processes上发表了题为"Wire-arc directed energy deposition of high performance heat treatment free Al-6Mg-0.3Sc alloy"的研究成果。在这项研究中，通过使用电弧增材技术成功制造了高性能无需热处理的Al-6Mg-0.3Sc合金部件，实现了屈服强度为223.0 ± 0.9 MPa、抗拉强度为408.5 ± 3.2 MPa、延伸率为20.6 ± 1.7%的优异机械性能。结果表明，与CMT电弧模式相比，CMT + PA电弧模式能产生更明显的双峰微观结构，改善了延伸率。机械性能增强机制更多依赖于固溶强化和晶界强化，而不是沉淀强化。此外，这项研究首次建立了熔滴过渡与微观结构演变之间的相关性。


图1. WAAM系统：
(a) 原理图；(b) 成型设备；
(c) 沉积策略；(d) 样品取样位置和尺寸；
(e) CMT电弧模式样品；
(f) CMT + PA电弧模式样品


图 2. CMT 电弧模式：
（a-g）熔滴过渡图像及其示意图；
（h）电流和电压波形

图3. CMT + PA电弧模式：
(a-g) 熔滴过渡的图像及其示意图；
(h) 电流和电压波形


图 4. 不同电弧模式下的熔池形态：
（a）CMT；（b）CMT + PA


图 5. 不同电弧模式的 XCT 图像和孔径统计：
（a）CMT；（b）CMT + PA


图 6. 不同电弧模式下 Al-Mg-Sc 合金的 XRD 图样


图 7. 不同电弧模式下的金相图像：
（a）CMT；（b）CMT + PA


图 8. CMT 和 CMT-PA 样品的 EBSD 分析：
CMT 样品：(a1) IPF（反极图）图；
(a2) 晶粒尺寸分布；
(a3) PF（极图）图；
CMT + PA 样品：(b1) IPF 图；
(b2) 晶粒尺寸分布；
(b3) PF 图


图 9. 不同电弧模式下 FG 区域的
SEM 图像和相应的 EDS 图：（a）CMT；（b）CMT + PA


图 10. 不同电弧模式下 CG 区域的
SEM 图像和相应的 EDS 图：（a）CMT；（b）CMT + PA

关键结论
在这项研究中，成功地使用电弧增材制造技术制造了高性能无需热处理的Al-Mg-Sc合金部件。揭示了不同电弧模式对机械性能、缺陷、微观结构和强化机制的影响。

（1）利用CMT + PA电弧模式，可以在沉积状态下实现机械性能，屈服强度为223.0 ± 0.9 MPa，抗拉强度为408.5 ± 3.2 MPa，延伸率为20.6 ± 1.7%。这主要归因于固溶强化和晶界强化，计算结果与实验结果一致。

（2）CMT + PA电弧模式可以将平均晶粒尺寸细化到7.1 ± 1.65 μm，并将孔隙率降低到0.028%。

（3）CMT + PA电弧模式独特的熔滴过渡工艺和较低的热输入产生了更明显的双峰微观结构（粗大的CG和更细的大面积FG）。CMT + PA电弧模式诱导的更明显的双峰微观结构增强了HDI强化，同时提高了屈服强度和延伸率。

（4）论文提出了一种可行的方法来增强电弧增材制造的的Al-Mg-Sc合金部件的沉积性能，为避免电弧增材制造的大型部件所需的繁琐热处理提供了方向。

通讯作者
方学伟，西安交通大学机械工程学院副教授，第七届中国科协青年人才托举工程入选者，师从卢秉恒院士。主要研究方向为大形金属构件高效增材制造工艺及装备，金属增材制造微观组织性能调控及金属增材制造过程数值计算模拟等。在金属增材制造领域国际高水平SCI期刊Addit Manuf、Virtual and Physical Prototyping、Int J Extreme Manuf、Int J Mach Tools Manuf等发表论文40余篇，出版中文教材1部，撰写英文章节1章，中文专著2部，授权国家发明专利30余项。担任Additive Manufacturing Frontiers、机械工程学报、焊接学报、电焊机杂志等中英文期刊编委/青年编委，担任SCI期刊Frontiers in Materials、Coatings客座编辑，Additive Manufacturing、Int J Extreme Manuf等领域顶级期刊审稿人。担任中国机械工程学会再制造分会委员、中国有色金属学会增材制造分会委员、增材制造分会青年委员、焊接分会青年委员。主持重点研发计划课题、JCJQ重点项目课题、国家自然科学基金、博士后面上/特别资助、航空基金、航天基金等项目20余项。

论文引用
Kai Li, Xuewei Fang, Jiannan Yang, Xinzhi Li, Minghua Ma, Jiahao Shang, Ke Huang. Wire-arc directed energy deposition of high performance heat treatment free Al-6Mg-0.3Sc alloy: Journal of Manufacturing Processes125(2024) 589-603.

DOI:https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.07.088