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《Acta Materialia》激光熔化制造铝合金热裂纹问题的解决方法!
2020-08-28 16:18:14 作者:本网整理 来源:材料科学与工程

导读:本文提出了一种在激光熔化(LBM)制造过程中消除铝合金热裂纹现象的方法,研究主要以6061铝合金为例。6061是一种沉淀强化铝合金,以镁和硅为主要合金元素。这种合金具有出色的重量/强度比和高导热率,因而通常用于航空工业和汽车行业。但是,在LBM加工过程中,特别容易产生热裂纹。本文提出的解决方案是诱导晶粒细化,以避免形成大的柱晶结构。


近年来,为了获得具有优秀力学性能的致密零件,大量研究聚焦于优化LBM的工艺参数。但是,可以用于这种工艺的材料仍然相当有限,当今最相关的是TA6V,316 L,Inconel 718和AlSi10Mg。只有少数的Al-Si基铸造合金实现了无裂纹制造。对于可焊性差的锻造铝合金,由于工艺过程中存在促进柱状晶生长,并因此引起热裂纹的高温度梯度,LBM技术的应用受到很大限制。对于Al6061和Al7075,LBM的开裂现象尤其严重。


来自法国学者Mathieu Opprecht等人的最新研究表明,添加一定数量的钇稳定氧化锆(YSZ)可以诱导晶粒细化,改变3D打印6061铝合金材料的微观结构,从而消除热裂纹现象。相关论文以题为“A solution to the hot cracking problem for aluminium alloys manufactured by laser beam melting”于近日发表在Acta Materialia。


论文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.07.015

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像大多数增材制造(AM)工艺一样,激光熔化(LBM)也是一种逐层制造技术。每个粉末层根据所需的几何形状由聚焦的激光束熔化。LBM的应用潜力主要为:在大多数情况下,这种技术无需定制模具,即可生产复杂的功能部件。此外,粉末可以回收利用,减少了制造过程中产生的浪费。


对于焊接工艺和LBM工艺中的这两种凝固过程,产生热裂纹的原因大体相似。在这两种情况下,工艺参数都会引起热应力,是造成裂纹的关键因素。但是,似乎不太可能在LBM工艺中根据这一思路找到简单的解决方案,因为在3D打印的工业实践中无法对热应力加以控制。要想显著降低热应力,就需要大幅降低温度梯度,而在LBM工艺中,无法通过工艺参数或环境的改变实现这一目标。其次,在热处理过程中,用于产生强化相的合金元素通常会增加凝固温度范围,在之前的研究中,这一点也是十分不利的。此外,在3D打印工艺中,高温度梯度通常会引起沿构造方向拉长的柱晶结构,促进热裂纹现象的产生。


在本文研究中,研究人员使用干混工序将不同数量的钇稳定氧化锆(YSZ)添加到Al6061基础粉末中(所用设备Turbula?)。实验发现,晶粒细化效果取决于添加的YSZ量。从1%(体积分数)开始,SEM和EBSD图像显示出呈双峰分布的等轴柱状晶粒的微观结构。结果表明,添加2%(体积分数)的YSZ可以完全避免熔池边界上的裂纹。本文基于TEM和DRX研究为3D打印过程中添加剂的使用提供了新的见解。文章在许多现有的凝固模型的基础上讨论了实验结果,重点讨论了实现等轴凝固方案的必要条件。

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图1.不同体积分数的混合粉末SEM 图像 (a)0.05% ; (b) 0.2%; (c) 1%; (d) 2%; (e) 4%.

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图2.光学显微照片显示了YSZ添加后热裂纹敏感性的变化

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图3.每单位面积的总裂纹长度与YSZ添加量的关系

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图4.不同YSZ体积分数,EBSD图像(灰度等级+粗线表示的晶界)展现的微观结构


本文认为,需要后续工作进一步研究打印材料的力学性能,如:Al3Zr沉淀相和晶粒结构的影响。此外,关于这种新型合金,另一个有意义的研究角度是后期热处理。研究表明,大量的Zr富集于固溶体中。通过适当的时效处理,预期会沉淀出纳米Al3Zr相,从而使基体变硬。


综上所述,根据现有的实验结果,该方法还可应用于其他对热裂纹敏感的铝合金LBM工艺。这项工作实现了迈向完全等轴晶结构的第一步,对材料力学性能的提升十分有益。

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