华中科技增材制造顶刊：增材制造高强度、无裂纹 Al-Cu-Mg-Y 合金

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导读：激光粉末床熔合( LPBF )高强度铝合金（如 2xxx、6xxx 和 7xxx 系列合金）对凝固裂纹的敏感性很高。本文开发了一种无裂纹的新型高强度 Al-Cu-Mg-Y 合金，由 LPBF 使用稀土钇(Y) 改性 2024 合金粉末制造。在 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金中，稀土元素 Y 被认为是消除凝固裂纹的有效合金元素，这主要是由于脆性温度范围变窄、凝固裂纹减少的共同作用。Y元素也可以与Al和Cu反应。在 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金中，更多的 Al8Cu4Y 相和更细的晶粒导致比大多数 LPBF 制造的铝合金具有更高的抗压屈服强度。有趣的是，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金在高达70%的大压缩应变下可以高度变形而不会塌陷。T6热处理后， LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金在屈服点后的压应力显著增加。

作为基于粉末床的增材制造 (AM) 技术之一，激光粉末床熔合(LPBF) 已被用于制造具有几何复杂性的金属部件。由于对制造高强度轻质部件的高需求，LPBF 在铝合金中的应用最近引起了极大的关注。如前所述，LPBF 广泛使用的铝合金是 Al-Si 系统（如 AlSi10Mg 和 AlSi12 合金），因为近共晶Si元素的组成可以改善熔融状态下的液体流动性，减小凝固范围，进而消除凝固过程中 的裂纹。此外，LPBF 工艺参数的优化可以制造高密度的 Al-Si 合金，同时孔隙率水平显着降低。LPBF 过程中的高加热和冷却速率允许在 Al-Si 合金中形成精细的微观结构，从而与铸造对应物相比具有更高的强度. 尽管后热处理可以提高 LPBF 制造的 Al-Si 合金的延展性，但由于细孔共晶 Si相的粗化，强度开始显着下降。因此，LPBF 制造的 Al-Si 合金的机械性能远不能令人满意。为 LPBF 设计的其他铝合金系统是 Al-Mg-Sc 和 Al-Mn-Sc 合金。Sc元素的添加是消除凝固裂纹、实现强度与延展性协同的有效途径。此外，直接时效可以通过形成细小的 Al 3 Sc 颗粒来进一步提高这些合金的机械性能。然而，元素 Sc 的高生产成本可能会限制 LPBF 制造的 Al-Mg-Sc 和 Al-Mn-Sc 合金的广泛应用。

采用预热处理对于避免 LPBF 制造的变形铝合金中的凝固裂纹很重要。无裂纹 6061 合金已通过 LPBF 制造，并在 500 °C 下预热粉末床[41] 。高温预热实现了降低的冷却速度，确保在改进的凝固条件下消除裂纹。通过高温预热，LPBF 制造的 6061 合金中的熔池形态被去除，这与第二相沿柱状晶界的粗化有关。T6热处理后这种无裂纹合金的抗拉强度可与锻造 6061 合金相媲美。然而，在 LPBF 过程中，较高温度的预热处理难以诱导细化微观结构。

从铸造性和力学性能的角度来看，稀土元素钇（Y）是一种很有前途的铝合金微合金化元素。Y元素可以缩短铝合金的凝固范围，降低凝固裂纹倾向，提高铝合金的力学性能。一个典型的例子是 Pozdniakov 等人报道的铸造 Al-Cu-Y 合金。在他们的工作中，Al-Cu-Y 合金表现出与商业 Al-Si 合金相似的低凝固裂纹敏感性。由于元素 Y 的添加，富 Y共晶相在铸态下形成显示出高热稳定性的。在淬火和随后的轧制之后，这种合金可以实现强度和延展性的良好结合。上述讨论强调了一种通过添加元素 Y 由 LPBF 制造无裂纹变形铝合金的新策略。目前的工作是使用 Y 改性 2024 合金粉末通过 LPBF 开发一种新型 Al-Cu-Mg-Y 合金。从脆性温度范围、凝固裂纹敏感性和细化晶粒等方面讨论了LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金的裂纹消除机理。微观结构演变并详细研究了其在LPBF工艺和T6热处理过程中对无裂纹Al-Cu-Mg-Y合金力学性能的影响。这项工作为开发适用于 LPBF 的新型高强度铝合金提供了基础。

华中科技大学材料科学与工程学院Shang Zhu教授团队研究了 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的微观结构和压缩性能，并与不含 Y 的 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金进行了比较。添加Y元素被证明是消除凝固裂纹和改善压缩性能的有效途径。主要结论总结如下：

1.与 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金沿构建方向包含几乎笔直的凝固裂纹不同，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金无裂纹，孔隙率为 1.27 ± 0.12 vol%。凝固裂纹消除与脆化温度范围、凝固裂纹敏感性指数和细化晶粒有关。首先，Y元素的添加导致脆化温度范围变窄，这意味着发生凝固裂纹的可能性有限。其次，Y元素可以降低裂纹敏感性指数，从而提高抗裂性。第三，Y元素细化了晶粒，提高了进液能力，增韧了半固态材料。因此，抑制了相邻晶粒之间凝固裂纹的形成。

2.与 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金的显微组织相比，Y 元素的添加导致LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 中的 Al 8 Cu 4 Y 相取代了 Al 2 Cu 相合金。Al 8 Cu 4 Y 相的形成主要是由于这些相的生成焓比较负和元素 Y 的化学性质活跃。另外，晶粒长大限制因子随着元素 Y 的加入而增加，细化了晶粒。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金中的晶粒。

3.在 T6 热处理后，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金显示出从 Al 8 Cu 4 Y 枝晶到 Al 8 Cu 4 Y 颗粒的转变。随后，较大的Al 8 Cu 4 Y 颗粒开始粗化，但以小的Al 8 Cu 4 Y 颗粒为代价。Al 2 CuMg 和Al x Mn y颗粒的形成也同时发生。此外，在Al基体的{111}面上形成了片状的Ω析出物。考虑到由分布颗粒（Al 8 Cu 4 Y、Al2 CuMg 和 Al x Mn y ) 在 Al 基体中，在 T6 热处理后，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的整体晶粒结构没有改变。

4.LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的抗压屈服强度为 267 ± 10 MPa，高于大多数 LPBF 制造的铝合金。在 T6 热处理后，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金在屈服点后由于 Ω 析出物的形成而显示出压缩应力的快速增加，从而在塑性变形过程中产生高水平的抗剪切性. 比较LPBF制备的Al-Cu-Mg-Y合金T6热处理前后的抗压和抗拉特性，抗拉强度低于抗压强度。这种差异可归因于 LPBF 制造和 T6 热处理的 Al-Cu-Mg-Y 合金中的内部孔隙。这些孔隙在拉伸试验期间充当应力集中，从而导致强度降低。

相关研究成果以题“Microstructure characterization and mechanical properties of crack-free Al-Cu-Mg-Y alloy fabricated by laser powder bed fusion”发表在增材制造顶刊Additive Manufacturing上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422003992

图 1。原料粉末的 SEM 图像。(a) 2024 合金粉末, (b) Y 粉末, (c) 2024/Y 混合粉末, (d) (c) 中主要元素 Al 和 Y 的 EDS 图, (e) (e) ( C）。(c) 中的黄色箭头表示 Y 粉末很好地分散在 2024 合金粉末中。

图 2。LPBF 过程中扫描策略的示意图。

图 3。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金和 (b) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的 OM 视图。(c) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金和 (d) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的显微 CT 图像，插图显示沿构建方向 (BD) 的代表性截面。

图 4。(a, b, c) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金和 (d, e, f) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的 SEM 图像。图4b和c是图4a中标记区域的放大图。图 4 e 和 f 是图 4 d中标记区域的放大图。MPB 是指熔池边界，MPC 是指熔池中心。MPB 在图4a和 d中由白色虚线表示。

图 5。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 和 Al-Cu-Mg-Y 合金的XRD 图(a) 和 DSC 冷却曲线 (b)。图 5a中的插图显示了 25° ≤ 2θ ≤ 60° 之间的 XRD 图案的放大图。

图 6。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的 TEM 分析。(a) HAADF-STEM 图像和相应的元素映射，(b) HRTEM 图像和与虚线标记的区域相对应的快速傅里叶变换(FFT) 模式。

图 7。实验合金的EBSD分析。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金的取向颜色图，(b) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的取向颜色图，(c) LPBF 制造的 Al- 极图Cu-Mg 合金，(d) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的极图，(e) 两种合金的晶粒尺寸分布。

图 8。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 和 Al-Cu-Mg-Y 合金的热导率和 (b) 2024 粉末和 2024/Y 混合粉末的激光反射率。

图 9。T6热处理后LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金的显微组织表征。(a) OM 视图，(b, c) SEM 图像，(d, e) XRD 图案。图9c是图9b中标记区域的高倍放大图。图9e是图8d所示区域的放大图。

图 10。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金随后进行 T6 热处理的 EPMA 结果。(a) SEM背散射电子图像和 (bf) 对应于图10a 的元素分布。

图 11。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金在 T6 热处理后的 HRTEM 图像和 (b) 与图 10a 中标记的区域相对应的快速傅里叶逆变换 (FFT)图像。图10a 中的插图显示了沿 Al 矩阵的<110>区域轴的相应 FFT 模式。插图中的箭头指向连续的扩散条纹。

图 12。T6热处理后LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金的EBSD分析。(a) 取向颜色图，(b) 极图和 (c) 粒度分布。

图 13。(a) 本合金的压缩工程应力-应变曲线。插图显示了 LPBF 制造和 T6 热处理的 Al-Cu-Mg-Y 合金的压缩工程应力-应变曲线，为清楚起见，显示了高达 30% 的应变。(b) 本合金与其他 LPBF 制造的铝合金 (AlSi10Mg [2] , Al-Mg-Sc-Zr [22] , AlSi12 [77] , Al-Zn-Mg-Cu ) 的抗压屈服强度比较[50]和 Al-Zn-Mg-Cu-Si [65] )。(c)断裂面LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金在压缩后的性能。(d) (c) 所示标记区域的放大图。(e) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金压缩后的宏观形貌和 (f) 其圆柱表面上的一些裂纹。(g) T6 热处理 Al-Cu-Mg-Y 合金压缩后的宏观形貌和 (h) 其圆柱表面上的一些裂纹。

图 14。(a) 本合金的拉伸工程应力-应变曲线。(bd) (b) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金、(c) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金和 (d) T6 热处理的 Al-Cu-Mg 合金的拉伸断口-Y 合金。图 14 c 和 d中的插图显示了凹坑。

图 15。(a) 通过积分法从 DSC 结果获得的本合金的凝固曲线。(b) 本合金的T-(F s ) 1/2曲线，其中T是温度，F s是固体分数。

图 16。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金凝固裂纹的形成和 (b) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金凝固裂纹的消除示意图。

图 17。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金、LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金和 T6 热处理 Al-Cu-Mg-Y 合金的显微组织演变示意图。