北航 l 原位析出行为对丝材电弧定向能量沉积Al-Mg(-Sc-Zr)腐蚀行为的影响

3D科学谷洞察

丝材电弧定向能量沉积（WADED）制备Al-Mg合金构件在多个领域具有广阔的应用前景，Al-Mg合金具有低密度、高比强度和良好的耐腐蚀性，能够有效减轻航空航天器的结构重量，提高燃油效率和飞行性能。WADED能够实现复杂结构的一体化制造，减少零部件数量和装配工作量，提高结构的整体性和可靠性。这对于航空航天器中一些具有复杂内部结构的部件，如发动机零部件、机翼结构件等的制造具有重要意义。通过控制沉积过程中的热循环和合金成分，WADED可以实现Al-Mg合金的微观组织调控，从而优化其力学性能和耐腐蚀性能。例如，添加Sc、Zr等元素可以促进Al3(Sc, Zr)相的析出，提高合金的强度和韧性，同时改善其耐腐蚀性。”

增材制造在实现复杂结构金属构件成形和性能调控方面具有卓越优势。丝材电弧定向能量沉积(Wire arc-directed energy deposition，WADED)作为增材制造技术之一，具有沉积效率高、可实现大尺寸构件集成制造等优点。由其制备的WADED Al-Mg合金构件在航空航天工业中具有重要应用潜力。与其他增材制造方法相比，WADED具有冷却速度相对较慢、温度梯度较低的特点。同时，WADED逐层沉积过程中的动态热循环也会导致原位析出行为。前期研究发现，Sc/Zr微合金化促进Al3(Sc, Zr)相的析出，可明显提高Al-Mg合金力学性能。考虑到铝合金中的析出相特征(大小和分布)与其腐蚀行为密切相关，因此，针对动态热循环作用下的原位析出行为对WADED Al-Mg-(Sc-Zr)腐蚀行为影响开展研究，可为航空航天WADED高性能铝合金的力学性能和耐久性研究提供支持。

基于此，北京航空航天大学机械工程及自动化学院齐铂金教授团队通过丝材电弧定向能量沉积技术制备WADED Al-Mg(-Sc-Zr)薄壁件。结合有限元温度场模拟，对电弧增材过程中动态热循环引起的原位析出行为开展研究。通过材料表征、电化学测试等手段对原位析出行为引起的微观组织、腐蚀行为进行深入分析。研究发现，WADED Al-Mg微观组织均匀，晶粒粗大等轴。WADED Al-Mg-Sc-Zr在熔池边界(Molten pool boundary, MPB)和层间区(Inter-layer zone, ITZ)表现出细小的等轴晶粒，而熔池内部表现出粗等轴晶粒。原位析出导致初生Al3(Sc, Zr)沿熔池边界和层间聚集，在熔池内部存在少量次生Al3(Sc, Zr)。相较于WADED Al-Mg构件，WADED Al-Mg-Sc-Zr电化学腐蚀行为有所改善。WADED Al-Mg在弥散分布的β-Al3Mg2处出现点蚀，WADED Al-Mg-Sc-Zr中沿熔池边界和层间聚集Al3(Sc, Zr)引起电偶腐蚀，造成分层腐蚀特征。WADED Al-Mg-Sc-Zr的腐蚀各向异性明显，这是因为较多的熔池边界和层间使XOZ平面容易发生腐蚀。

相关研究成果以“Influence of in-situ precipitation on corrosion behaviors of wire arc directed energy deposited Al-Mg(-Sc-Zr)”为题发表在国际材料顶级期刊Journal of Materials Science & Technology（IF=11.2，中科院一区Top）。北航机械工程及自动化学院齐铂金教授与祁泽武助理教授为通讯作者，博士生周豫斌为第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.025

图1 WADED Al-Mg(-Sc-Zr)合金制备及实验取样

WADED Al-Mg XOZ和YOZ面均表现出由粗等轴晶粒组成的均匀微观组织。WADED Al-Mg-Sc-Zr组织表现出明显的分层特征，层间区(ITZ)存在细小等轴晶，层中区(INZ)粗、细等轴晶交替出现。在WADED Al-Mg-Sc-Zr合金中，熔池边界MPBs明显可见，沿MPBs分布着细小的等轴晶粒，熔池内部存在着粗等轴晶粒。WADED Al-Mg-Sc-Zr XOZ面比YOZ面具有更多的异质结构边界(ITZ和MPB）。

图2 WADED Al-Mg (a) XOZ面与(b) YOZ面; Al-Mg-Sc-Zr (c) XOZ面与(d) YOZ面EBSD结果

在WADED Al-Mg构件中，粗大的β-Al3Mg2沿粗等轴晶粒的GBs分布。大部分Al6(Mn, Fe)在晶粒内随机分布，少部分位于晶界。由于Sc/Zr引入后的细化晶粒效果，WADED Al-Mg-Sc-Zr中β-Al3Mg2在晶界处的聚集被削弱。在凝固过程中，Al3(Sc, Zr)颗粒聚集在沿熔池边界及层间的细小等轴晶粒处。

图3 WADED Al-Mg (a) XOZ面和(b) YOZ面; Al-Mg-Sc-Zr (c) XOZ面和(d) YOZ面SEM结果

WADED Al-Mg-Sc-Zr中的初生Al3(Sc, Zr)颗粒在凝固过程中提供了有效的非均相形核位点，提高了形核速率。由于高热稳定性，初生Al3(Sc, Zr)颗粒也在重熔过程中作为形核位点。因此，沿熔池边界和层间的细小等轴晶区呈现初生Al3(Sc, Zr)颗粒聚集的现象，其平均半径为73±54 nm。在粗等轴晶区域的细小析出相为次生Al3(Sc, Zr)，其平均尺寸为18±7 nm，这是由于后续沉积过程的热循环导致熔池内的Sc/Zr过饱和区析出次生Al3(Sc, Zr)。此外，次生Al3(Sc, Zr)的分布特征导致沿粗等轴晶粒的晶界形成无析出区(precipitation free zone, PFZ)。

图4 WADED Al-Mg-Sc-Zr TEM结果：(a1)-(a5) 初生Al3(Sc, Zr)分布特征, (b1)-(b5) 次生Al3(Sc, Zr)分布特征

电化学测试结果显示，相比于WADED Al-Mg，WADED Al-Mg-Sc-Zr呈现出更快的开路电位(OCP)增长速度、更高的OCP终值、更大的阻抗环半径，以及较小的腐蚀电流。对于WADED Al-Mg(-Sc-Zr)组件，YOZ平面比XOZ平面具有更快的OCP上升速度、更高的低频模量，以及较小的腐蚀电流，表现出较好的耐腐蚀性。

图5 3.5 wt. % NaCl 电化学测试结果(a) (b)开路电位；(c)Nyquist图(d) Bode图

图6 3.5 wt. % NaCl 溶液中的动电位极化曲线WADED Al-Mg (a) XOZ (b) YOZ;Al-Mg-Sc-Zr (c) XOZ (d) YOZ

在3.5 wt. % NaCl中浸泡24小时后的WADED Al-Mg合金中点蚀坑随机分布。与WADED Al-Mg XOZ面相比，YOZ面上的点蚀深度略小。对于WADED Al-Mg-Sc-Zr构件，XOZ面腐蚀蚀点主要沿熔池边界MPB和层间ITZ区域发生，而YOZ面腐蚀蚀点集中在ITZ区域。点蚀坑统计拟合结果显示WADED Al-Mg-Sc-Zr中点蚀坑水平方向扩展速率均大于深度方向扩展速率。

图7 点蚀坑三维形貌WADED Al-Mg (a1) (a2) XOZ 与(b1) (b2) YOZ; Al-Mg-Sc-Zr (c1) (c2) XOZ 与(d1) (d2) YOZ

图8 点蚀坑统计结果WADED Al-Mg (a) XOZ与(b) YOZ; Al-Mg-Sc-Zr (c) XOZ与(d) YOZ

在WADED Al-Mg中，β-Al3Mg2作为基体的阳极相，与基体发生电偶腐蚀产生点蚀坑。腐蚀后β-Al3Mg2的剥落是点蚀坑形成的主要原因。WADED中的Al6(Mn, Fe)作为基体的微阳极相，也倾向于优先溶解，但少量的Al6(Mn, Fe)仅作为腐蚀特征位点，不主导腐蚀行为。WADED Al-Mg-Sc-Zr中点蚀坑在XOZ面沿熔池边界MPBs和层间区域ITZ聚集，在YOZ面沿层间ITZ聚集，点蚀倾向于出现在粗大Al3(Sc, Zr)颗粒附近，WADED Al-Mg-Sc-Zr合金的点蚀尺寸小于Al-Mg合金。

图9 腐蚀形貌WADED Al-Mg (a1)-(a3) XOZ与(b1)-(b3) YOZ; Al-Mg-Sc-Zr (c1)-(c3) XOZ与(d1)-(d3) YOZ

图10 腐蚀形貌WADED Al-Mg (a)XOZ与(b) YOZ; Al-Mg-Sc-Zr (c) XOZ与(d) YOZ.

通过有限元法分析沉积过程中的动态热循环对Al3(Sc, Zr)原位析出行为的影响发现，WADED过程的热循环可分为两类：I型，峰值温度明显超过Al3(Sc, Zr)溶解温度(TP)，持续时间相对较长。这种类型导致高熔点Al3(Sc, Zr)完全溶解；II型，峰值温度与TP相当或低于TP，持续时间短。这种类型是影响析出相尺寸的关键因素。在II型热循环作用下，析出相逐渐长大，II型热循环次数越多的区域，析出相尺寸越大。温度场模拟显示，当前沉积层熔池中，靠近熔池中心的点（1-9）经历了I型热循环。靠近熔池边界MPB的10点和11点经历了II型热循环，导致Al3(Sc, Zr)优先沿熔池边界MPB成核析出。液体温度（TL）和固体温度（TS）之间的区域可以推断为糊状区。糊状区的12 ~ 13点经历了典型的II型热循环。这导致层间区ITZ比层中INZ区域表现出更大的Al3(Sc, Zr)尺寸。与YOZ平面相比，XOZ平面呈现出更大的糊状区，包括熔池边界MPB和重熔层间ITZ区。因此，在XOZ平面上，粗大初生Al3(Sc, Zr)在熔池边界MPB和层间ITZ区域出现，而在YOZ平面上，只有ITZ区出现初生Al3(Sc, Zr)聚集。在随后的沉积过程中，热循环发生了从I型向II型的转变，导致沿熔池边界MPB和层间ITZ区域的初生Al3(Sc, Zr)进一步粗化，次生Al3(Sc, Zr)在熔池内形核。动态热循环最终导致较大尺寸的初生Al3(Sc, Zr)沿熔池边界MPB和层间区域ITZ聚集，而较小尺寸的次生Al3(Sc, Zr)在熔池内部弥散分布。沿MPB和ITZ聚集的粗大初生Al3(Sc, Zr)与基体的电偶腐蚀作用导致了分层腐蚀特征。

图11 有限元模拟结果WADED Al-Mg-Sc-Zr (a) XOZ (b) YOZ面温度场; (c) 沉积层首次热循环特征; (d) 标记点位随后10次热循环特征; (e)-(g)沿X, Y, Z 方向的温度梯度

WADED Al-Mg-Sc-Zr的腐蚀各向异性较为明显，可归因于XOZ面表现出较多的层间区域ITZ和熔池边界MPB，这些位置发生的Al3(Sc, Zr)聚集更容易受到腐蚀。YOZ面Al3(Sc, Zr)聚集区较少(只有ITZ)，耐蚀性较好。

图12 WADED Al-Mg-Sc-Zr XOZ面及YOZ面腐蚀机理示意图

引用格式：Yubin Zhou, Zewu Qi, Baoqiang Cong, Yuan Zhao, Wei Guo, Zihao Jiang, Hongwei Li, Chaofang Dong, Yucheng Ji, Xing He, Haibo Wang, Sanbao Lin, Xiaoyu Cai, Bojin Qi. Influence of in-situ precipitation on corrosion behaviors of wire arc directed energy deposited Al-Mg(-Sc-Zr) [J]. Journal of Materials Science & Technology, 2025, DOI: 10.1016/j.jmst.2024.12.025.

来源

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