北京工业大学：增材制造高强度和高延展性的Al-Zn-Mg-Cu合金

导论：本研究采用电弧增材制造技术成功制备了具有高强度和延展性的Al-Zn-Mg-Cu合金。创新地研究了复合加工（非均相颗粒和热处理）对Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材制造沉积的微观结构和力学性能的影响。

经过复合处理，沉积的晶粒形貌成功地从粗柱状晶体转变为致密的等轴晶体，极大地促进了纳米沉淀相的析出。深入研究了微观结构对力学性能的影响。由于微观结构的改变，材料的抗拉强度从206.8±14.3 MPa增加到503.6±10.1 MPa（水平方向）和256.2±13.1 MPa增加到501.2±10.0 MPa（垂直方向），伸长率从4.1±0.9%增加到10.9±1.0%（水平方向）和6.6±0.3%到13.4±0.3%（垂直方向），硬度也从117.9 HV增加到197.9 HV。
最后，研究表明，复合加工不仅促进了强度和伸长率的同时增加，而且大大提高了沉积的各向异性。细晶粒强化是提高伸长率的主要机理。降水强化是强化实力的主要机理。本研究可为提高线弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的强度和伸长率提供理论指导，从而促进工程应用。

由于其优异的机械性能，高比强度和疲劳韧性，Al-Zn-Mg-Cu合金广泛用于航空航天应用的复杂，轻质结构部件，例如飞机机身和翼肋。然而，在DebRoy等人（2018）的研究中，大型和复杂的结构零件仍然通过减少制造来制造，导致材料浪费，加工周期长以及对加工工具的严格要求。
因此，升级和创新传统制造迫在眉睫。线弧增材制造（WAAM）使用连续的“线”作为基本配置单元，零件尺寸不受成型缸设备和真空室尺寸的限制。Wu等人（2018）的研究发现，这可以“自由制造”复杂结构零件。Wang等人（2017）指出，本实用新型大大提高了材料利用率，特别适用于大型复杂飞机部件的低成本快速成型。
然而，目前的研究主要集中在Al-Mg，Al-Cu和Al-Si合金上。Ryan等人（2018）发现，由于高温电弧源在熔池的自由凝固过程中形成松散的粗晶粒和缺陷，例如孔隙和裂缝。因此，沉积铝合金的机械性能不能满足要求。Klein等人，2021a，Klein等人，2021b通过使用定制焊丝改善了Al-Zn-Mg-Cu合金WAAM沉积部件的性能，但性能提升很小。Morais等人（2020）报道，Al-Zn-Mg-Cu线材助剂沉积部件采用冷金属传递脉冲先进（CMT-PADV）技术制造，发现虽然沉积部件的性能有所提高，但仍存在缺陷。常用的材料强化方法导致拉伸强度的单方面提高;然而，同时强度和伸长率的改善受到限制。
Al-Zn-Mg-Cu合金是可热处理的，这是主要的机械强化方法之一。Klein等人，2021a，Klein等人，2021b发现，热处理显著提高了通过WAAM制备的Al-Zn-Mg-Cu的硬度，但综合性能较弱。
Wang等人，2020a，Wang等人，2020b对含有微量元素的铸Al-Zn-Mg-Cu进行了固溶热处理，Al-WAAM沉积层的拉伸强度增加了约70 MPa，伸长率降低。Moon等人（2021）对三种不同冷却条件下Al-Zn-Mg-Cu轧制板的热处理进行了测试和模拟，发现热处理后伸长率明显下降，水冷试样的拉伸强度增加，但伸长率较弱。Wei等人（2020）比较了不同时效处理对喷雾沉积法制备的Al-Zn-Mg-Cu组分性能的影响，发现强度和伸长率受到影响。
Xie等人（2019）对锻造Al-Zn-Mg-Cu进行了不同的热处理，并报告说，通过T6热处理，拉伸强度增加到678 MPa，但伸长率仅为9%。在Wang等人，2020a，Wang等人，2020b中，对压铸Al-Zn-Mg-Cu进行非等温时效热处理以提高强度和伸长率。抗拉强度提高到680 MPa，但伸长率仅为9.76%。强度-伸长率的权衡也对金属材料的强化提出了很大的挑战。
对晶粒细化方法的研究为提高铝合金伸长率提供了有用的信息。Yang等人（2019）提出，在热挤压成型过程中加入TiC颗粒，对Al-Cu-Mg合金中的晶粒进行精炼，从而降低了应力集中并增加了伸长率。然而，晶粒细化对拉伸强度几乎没有影响。Martin et al. （2017） 添加了 ZrH2在激光增材制造过程中，颗粒转化为Al-Zn-Mg-Cu合金，由于柱状晶体转化为等轴晶体，从而获得高机械性能，从而减少了内部缺陷并改善了伸长率。然而，拉伸强度的改善并不显著。Wang等人（2019）报道，通过添加Ti粉，Al-Mg合金电弧添加剂沉积的晶粒尺寸得到细化，性能得到改善。
提高拉伸强度同时提高伸长率的方法已成为铝合金的紧迫研究重点。在这里，北京工业大学Xuelei Ren等人基于WAAM特性和Al-Zn-Mg-Cu合金的机械性能进行了复合加工方法。最初，在WAAM期间通过添加非均相颗粒来精炼基质颗粒。然后，热处理增加了沉积部件的抗拉强度。因此，获得了高强度和伸长率，而无需进行强度- 延展性权衡。相关研究以题“Microstructure and properties research of Al-Zn-Mg-Cu alloy with high strength and high elongation fabricated by wire arc additive manufacturing”发表在Journal of Materials processing Technology上

 

图 1.WAAM沉积过程和采样位置。

 

图 2.热处理和TiN颗粒对晶粒形态的影响（a）沉积;（b） T6沉积;（c） TiN 沉积和 （d） TiN+T6 沉积。
图 3.（a）晶粒形貌，（b）晶粒比例和晶粒尺寸变化趋势的电子反向散射衍射结果;（c） 晶粒形态，（d） TiN沉积的晶粒尺寸比例和变化趋势;（e） 晶粒形态，（f） T6沉积晶粒尺寸的比例和变化趋势;（g）TiN+T6沉积的晶粒形态，（h）晶粒尺寸的比例和变化趋势。
图 4.（a） 沉积的纹理强度;（b） 钛沉积;（c） T6 沉积和 （d） TiN+T6 沉积。

 

图 5.（a） 沉积的扫描电子显微照片;（b） 钛沉积;（c） T6沉积;（d） TiN+T6沉积;（e）共晶结构和（f）沉淀。
图 6.（a） 作为沉积的X射线衍射结果;（b） 钛沉积;（c） T6 沉积和 （d） TiN+T6 沉积。

图 7.（a） 作为沉积的元素富集;（b） 钛沉积;（c） T6沉积。

 

图 8.铝锌镁铜沉积的水平和垂直拉伸强度。

图 9.透射电子显微镜沿[110]铝方向。（a） 相，（b） BOX 1 的快速傅里叶变换 （FFT） 衍射图和 （c） 的晶格参数模式;（d） 吉尼尔-普雷斯顿区，（e） BOX 2的FFT衍射图和（f） GP区的晶格参数模式。

图 10.透射电子显微镜沿[110]铝（a） 作为沉积的方向;（b） TiN-沉积;（c） T6 沉积和 （d） TiN+T6 沉积。

图 11.细晶强化和各向异性的增强机理示意图.（a）水平和（b）垂直方向的沉积;TiN在（c）水平方向和（d）垂直方向上的沉积。

结论：本研究旨在同时提高Al-Zn-Mg-Cu合金线材电弧添加剂沉积的强度和伸长率。通过复合加工（非均相颗粒和热处理）成功地改善了沉积物的微观结构和力学性能。基于微观结构表征和力学性能测试，全面研究了微观结构演化与力学性能的相关性。结论总结如下：
(1)在非均相颗粒处理阶段，TiN颗粒改善了沉积的自由凝固过程，增加了非均相成核位点。沉积的晶粒形态从柱状晶体完全转变为等轴晶体。晶粒尺寸从692.6 μm减小到89.2 μm，高角度晶界比例增加，晶粒取向更加随机，织构强度降低。在热处理阶段，沉积中元素的偏析减弱，沉积中纳米沉淀相的析出大大促进。
(2)复合材料加工后的沉积显示出优异的机械性能。沉积物的水平和垂直伸长率分别达到10.9±1.0%和13.4±0.3%，分别比沉积层高165.9%和103.0%。细晶粒强化是提高伸长率的主要机理。
(3)沉积层的水平和垂直抗拉强度分别为503.6±10.1 MPa和501.2±10.0 MPa，分别比沉积层高143.5%和95.6%。维氏硬度平均从117.9 HV增加到197.9 HV。降水强化是强化实力的主要机理。由于微观结构的改变，沉积的各向异性降低。
(4)Al-Zn-Mg-Cu合金经过复合加工后的线弧添加剂沉积，达到了商用AA7050的性能水平，可作为其工业应用的宝贵指导。

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