我国学者实现新颖的无裂纹Ti改性的激光增材制造铝合金

江苏激光联盟导读：

我国学者实现了采用SLM技术制造Al-Cu-Mg合金的Ti改性技术的新颖制造，可以实现无裂纹的制备，同时基于热动力学的模拟技术模拟了裂纹的敏感性指数和生长-限制指数。

我们发现在Al-Cu-Mg合金中引入Ti进行改性可以有效的促进晶粒细化和柱状晶向等轴晶的过渡，其原因是Al3Ti的析出相的非均匀形核造成的。在Ti 改性后，由于均匀的形成和细小的等轴晶的显微组织，可以排除热裂纹的形成。我们在Ti改性之后，得到的这一合金的拉伸强度可以高达426.4MPa，屈服强度可以达到293.2MPa，韧性为9.1%。这一新颖的Ti改性Al合金所具有的细小的等轴晶晶粒和得到提高的机械性能为采用SLM技术打印轻质材料提供了一个新的成分空间。

图1. SLM制造的铝合金的3D金相组织图：（a）Al-Cu-Mg 合金；（b）Ti/Al-Cu-Mg 合金，（Z表示的是制造方向)

SLM作为一种激光增材制造技术，为制造金属部件，尤其是复杂结构的金属部件的制造，提供了无尽的机会。铝合金由于具有高比强度，耐蚀性和低的制造成本而广泛的应用在工业中。在当前，大多数采用SLM技术进行制造的铝合金都取材于现有的铝合金，而现有的铝合金一般是为铸造或锻造所设计的，这一设计理念对于SLM工艺来说所具有的兼容性和SLM所具有的极端快速的凝固特性是不适应的。

▲图2. SLM制造的Al-Cu-Mg合金的显微组织：(a) 横截面的SEM组织；(b) 网络结构的TEM明场像; (c) Al, Mg 和Cu元素的EDS面分布图; (d) Al2Cu复合相的TEM照片； (e) Al2Cu和α-Al基材之间界面处的HRTEM照片及其相应的FFT模式

在当前，大多数的关于SLM制造铝合金的研究局限在Al-Si系列铸造合金的制备上，如AlSi10Mg和AlSi12。这些铸造的Al-Si合金的近共晶成分具有一个非常窄的凝固温度范围，从而极大的减少了在激光增材制造的过程中产生裂纹的危险。SLM制造AlSi10Mg 和AlSi12部件，据报道几乎是完全致密的和由于晶粒的细化和独特的介观结构而具有中等的强度。尽管上述Al-Si铸造合金在SLM进行制造的时候也具有优异的成形性能。但却不能替代变形铝合金，因为变形铝合金具有优异的机械性能，即高强系列的7000系合金和具有较好热抗力的2000系合金。然而，增材制造现有的变形铝合金经常伴随着柱状晶的存在和严重的热裂纹倾向，这是因为增材制造过程中的快速冷却速率和SLM所造成的巨大的温度梯度的原因。许多人尝试采用工艺参数优化的办法来SLM制造高性能的变形铝合金，如现有的6061系的Al-Mg-Si合金和7075(Al-Zn-Mg-Mg) 铝合金，但大多数都没能消除热裂纹倾向。Zhang等人采用SLM技术成功的制造了无裂纹的高强度的Al-Cu-Mg合金。

比较遗憾的是，该制造过程依然经受着裂纹敏感性的问题，这是因为工艺窗口比较窄以及柱状晶的生长问题。SLM工艺在快速熔化和冷却过程中的非平衡凝固是非常关键的。只有当成分符合SLM的动力学冶金特征的时候，才能成功的采用SLM技术进行制造。因此，非常有必要发展改性成分的时候SLM技术进行制造的特定铝合金。

▲图3. SLM制造的合金的侧视图的EBSD方位图：(a) Al-Cu-Mg和 (b) Ti/Al-Cu-Mg 样品; (c) 晶粒尺寸的分布，极图表面SLM制造的合金的方位　(d) Al-Cu-Mg 和 (e) Ti/Al-Cu-Mg合金; 以及合金样品的错位角度的分布　 (f) Al-Cu-Mg 和 (g) Ti/Al-Cu-Mg样品.

休斯实验室（HRL，Hughes Research Laboratory ）的研究显示激光增材制造的无裂纹铝合金可以通过引入额外的孕育剂来控制凝固。铝合金粉末涂敷上ZrH2纳米颗粒的时候，可以采用SLM技术成功的制备出无裂纹的6061和7075铝合金，这是因为原位形成的Al3Zr颗粒的非均匀形核造成的。这一Zr/Sc改性的办法提供了一个制造无裂纹铝合金的参考。2Wt%的Zr改性的Al2024合金，据报道可以获得无裂纹的合金，其极限拉伸强度为大约450MPa。然而，其失效时的断面收缩率从6%降低到大约3%，这是因为形成了极端脆性的Al3Zr金属间化合物。当Zr含量降低到0.6wt%的时候，Zr改性的Al 2024合金呈现出其韧性超过11%，其强度达到495MPa。Zr/Sc改性的Al-Mg合金和Al-Mn合金在采用SLM进行制造的时候，呈现出高强度和高韧性，此时为低含量的Zr/Sc添加量。然而，低含量的Zr/Sc添加会导致孕育的不充分的非均匀形核和晶粒细化不充分，从而造成热裂纹敏感性的倾向降低不明显。因此，为了解决高的裂纹生成倾向性和SLM制造时柱状晶的形成问题，新的材料成分设计以进一步的开拓以拓展SLM进行打印的材料范围。

图4. 形成细小的等轴晶的 Ti/Al-Cu-Mg的示意图

在当今的2000系列的铝合金当中，如2024 (Al-4.3Cu-1.5Mg-0.6Mn)和 2014 (Al-4.3Cu-0.5Mg-0.8Si-0.8Mn)合金，在100 °C以下具有优异的机械性能。耐热铝合金也应用在高温场合，这一场合应用具有较低的Cu含量。然而，铝合金中的Cu含量较低的时候，如大约为2Wt%的时候，在凝固的过程中具有较大的裂纹倾向。在传统的铸造铝合金中，融合Ti是一种常见的办法来促进晶粒的细化。SLM工艺被认为是一种微小区域的铸造过程。此外，Ti元素来替代稀土元素进行晶粒细化，就比稀土拥有更多的资源实现这一目的，同时Ti还比较便宜。引入Ti到铝合金中被认为是一种潜在的减少SLM制造过程中的铝合金裂纹的办法。Ti引入后对SLM制造铝合金所产生的显微组织和机械性能的影响还很少见到研究。因此，本文研究Ti改性的 Al–2.25Cu-1.8Mg 铝合金所具有的细化的等轴显微组织和高强改性的铝合金的通过热动力学计算和显微组织表征进行了详细的探讨。

主要结论

基于热动力学计算，一种新颖的无裂纹的加入1.5WT%进行改性的Al-Cu-Mg合金发展起来用于SLM制造。热动力学计算表明Ti的添加强有力的提高了生长限制系数，但对裂纹敏感性指数的影响比较小。通过实验方法，裂纹的形成的抑制被SLM制造Ti/Al-Cu-Mg合金部件所证实。除了Al-Cu-Mg中的Al2Cu析出相和 α-Al 基材之外，在SLM制造Ti/Al-Cu-Mg合金部件的时候，还存在Al3Ti纳米颗粒 [(112) Al3Ti//(111) α-Al] 。Ti的添加可以有效的促进Al-Cu-Mg合金晶粒细化和柱状晶向等轴晶的转变，这是因为Al3Ti颗粒所提供的非均匀形核的效应造成的。SLM制造Ti改性的Al-Cu-Mg合金拥有的极限拉伸强度为426.4 ± 6.4 MPa，屈服强度为 293.2 ± 7.4 MPa，断面收缩率为9.1 ± 0.7%。然而，SLM制造的Al-Cu-Mg合金的极限拉伸强度仅仅只有173.2 ± 20.3 MPa，断面收缩率为不超过2%，这是因为热裂纹所造成的。

▲图5. (a) Schematic diagram of cracking mechanism in the在 Al-Cu-Mg合金中的裂纹形成机制的示意图 alloy; (b) SEM 照片image and (c) IPF 图显示Al-Cu-Mg合金的裂纹区域的显微组织map showing the microstructure in the cracked zone of Al-Cu-Mg alloy; (d) SEM 照片和 (e) IPF map of Ti/Al-Cu-Mg 合金中包含细小的等轴晶粒且无裂纹的IPF照片alloy consisting of fine equiaxed grains without cracks.

本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！