大连理工《JMST》封面： 激光-电弧复合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金高温力学性能

第一作者：刘德华；通讯作者：马广义

通讯单位：大连理工大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2023.05.071

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对具有优异高温力学性能的轻质铝合金的低成本且高效率增材制造需求越来越大。在不改变合金化学成分的情况下，本文将激光-电弧复合增材制造工艺（LAHAM）与固溶+人工时效处理相结合，通过调控微观结构实现Al-Zn-Mg-Cu合金高温力学性能提升。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。

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研究背景

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>340 K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。增材制造具有成形效率高、灵活性强等优势，为复杂构件的制造带来不可估量的好处。遗憾的是，因其高热裂纹和氧化敏感性，激光粉末床熔化（LPBF）或电弧增材制造（WAAM）制备Al-Zn-Mg-Cu合金可能会产生裂纹、粗大晶粒及元素偏析等问题。

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研究出发点

(1) 本文将激光-电弧复合增材工艺与热处理相结合，通过调控微观组织获得了具有良好高温强度的Al-Zn-Mg-Cu合金。

(2) 在473 K时，平均极限抗拉强度高达362 ± 20 MPa，伸长率为6.8% ± 0.3%。

(3) η′析出相周围存在晶格畸变和应变场，从而阻止位错运动并提高抵抗滑移变形的能力。

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图文解析

利用三维XCT重构成形样件内部缺陷，如图1所示，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。

图1XCT重建的Al-Zn-Mg-Cu合金气孔分布：（a）沉积态样件；（b）热处理态样件；（c）沉积态（c）和热处理态样件（d）的等效直径频率分布；（e）等效直径分布

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（图2）。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。

图2沉积态样件（a）和热处理态样件（b）的反极图和极性图；（c）晶粒尺寸分布；（d）晶界取向角分布

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（图3）；而高密度的η′相分布在热处理态样件中（图4）。沉积态Al-Zn-Mg-Cu合金的高温（473 K）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5）。

图3沉积态Al-Zn-Mg-Cu合金TEM分析：（a）共晶组织的HAADF图像和元素分布；（b）TEM明场图；（c）HRTEM图；（d）FFT图；（e）EDS元素面扫描

图4热处理态Al-Zn-Mg-Cu合金的析出相：（a）BF-TEM图；（b）HRTEM图；（c）EDS元素面扫描；（d）放大的HRTEM图；（e）FFT模式和η′析出相的元素组成

图5（a）高温下沉积态和热处理态样件的工程应力-应变曲线；（b）对应的YS、UTS和断后伸长率；（c）本文YS、断后伸长率与文献中性能的对比

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，473 K下扩散速率是室温的~108倍。因此，热处理态样件暴露在473 K高温拉伸条件下，原有的η′相发生溶解和粗化（图6）。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（图7）：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8）。

图6（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7通过热处理控制微观组织示意图：（a）沉积态样件；（b）热处理态样件

图8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

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总结与展望

在不改变Al-Zn-Mg-Cu合金化学成分的情况下，本文探究了利用LAHAM制备7系铝合金的可行性，随后的固溶处理和人工时效处理，有效提升了其高温力学性能。通过多尺度微观组织表征，揭示了高温拉伸过程中析出相的演变、强度增强的机理。这些发现将为制备具有优异高温力学性能的7系铝合金提供一种有效的选择。

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课题组简介

马广义，男，教授、博士生导师，大连理工大学机械工程学院副院长，辽宁省机械工程学会增材制造分会副理事长，全国专业标准化技术委员会委员（SAC/TC 562）；入选2023年度全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists 2023）；主要研究方向为激光制造技术与智能化装备、多能场复合激光增材制造（3D/4D打印）原理、技术及其智能化；近五年，在Addit. Manuf.、Compos. B. Eng.、J. Mater. Sci. Technol.等SCI期刊发表论文110余篇，其中ESI高被引论文3篇、封面论文1篇；授权发明专利28项；研制出6类自主化增材制造装置，实现了8类典型构件制造技术自主可控，成功应用于航天、能源等领域企业；获江苏省科学技术奖一等奖、上海市科技进步二等奖、全国发明展览会金奖等。欢迎广大学子和学者的交流与相互学习。

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引用本文

D. Liu, D. Wu, Y. Wang, Z. Chen, C. Ge, Q. Zhao, F. Niu, G. Ma, Enhanced high-temperature mechanical properties of laser-arc hybrid additive manufacturing of Al-Zn-Mg-Cu alloy via microstructure control, J. Mater. Sci. Technol. 169 (2024) 220-234.

本文来源：JMST。