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北理工增材頂刊：屈服提高200%，延伸率提高460%！通過控制增材凝固缺陷大幅Al-Li合金性能！

2021-05-17 11:22:05 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文發現在AA2196鋁鋰合金的WAAM過程中，在樹枝狀晶間的液體中可能會形成大孔隙鏈。經過T6熱處理后，這些孔隙鏈實際上比沉積時的狀態長大，超過50 µm的微孔尺寸從2.8％增加到5.8％，最大尺寸增長到107 ?m。結合42％的熱變形和T6熱處理，封閉了微孔以及可以實現納米級T1沉淀，屈服拉伸強度（YTS）可以提高199％，極限拉伸強度（UTS）可以提高168％，延伸率可以提高460％，分別達到372 MPa、439 MPa和6.9％。因此，可以通過施加適當的熱變形來消除WAAM過程中的凝固缺陷，這對于具有長凝固范圍和高凝固裂紋敏感性的Al-Li合金非常有用。

Al-Li合金已獲得了廣泛的關注的最關鍵的輕質結構材料，由于低密度和高的比強度和剛度廣泛用于航空航天工業中。作為一種新型的鋁鋰合金，AA2196 Al-Li合金具有包括高模量和高比強度以及出色的抗損傷性在內的優異性。隨著航空航天制造業的發展，對諸如復雜幾何形狀的鋁結構部件提出了很高的要求。增材制造具有解決這些問題的優勢。

作為增材制造家族的一員，電弧增材制造（WAAM）以其高沉積速率和設計靈活性而著稱。WAAM通常使用惰性氣體保護電弧焊工藝。到目前為止，WAAM生產了一系列鋁合金，包括Al–Cu合金（2xxx），Al–Mg–Si合金（6xxx）和Al–Zn合金（7xxx）。以前的文獻表明，孔隙率是WAAM處理的鋁合金的主要冶金缺陷，這犧牲了它們的機械性能。不幸的是，尚無關于TS對微孔缺陷的影響的系統研究。沒有提供消除WAAM制造的冶金缺陷的解決方案。

目前，微孔對機械性能的不利影響限制了WAAM鋁合金的應用。微孔對Al-Li合金強度和韌性的不利影響使其成為主要缺陷之一。鋁合金是在WAAM更容易發生微孔制造過程中，由于氫的溶解度在液鋁是約在高溫下比的固體鋁的氫溶解度大20倍。WAAM生產的鋁鋰合金比其他鋁合金具有更大的微孔可能性，這是因為鋰與金屬絲表面的水分發生反應，并且在高溫下氫原子吸收進入液池。AA2196 Al-Li合金的Li含量為1.4-2.1％（重量），在高溫下與大氣有很好的反應性。此外，如果大氣不受Ar氣體保護，鋰的表面氧化會繼續將氫吸收到熔池中，從而導致液體中氫過飽和。通常，沉積鋁合金的機械性能低于普通加工鋁合金的機械性能。，并且微孔缺陷的存在嚴重降低了合金的機械性能。因此，了解和分析WAAM過程中微孔的空間分布，熱處理后微孔的演變特征以及抑制微孔的方法對于提高鋁鋰合金的力學性能具有重要意義。

在此，北京理工大學王俊升教授研究了使用WAAM技術制造的AA2196 Al-Li合金的微孔缺陷。討論了熱變形和熱處理對WAAM AA2196 Al-Li合金微孔缺陷的影響。對樣品的微孔形態和分布以及力學性能進行了表征和分析。此外，提出了一種減少WAAM Al-Li合金微孔率并促進析出強化的方法，這對提高WAAM AA2196合金的力學性能具有重要意義。相關研究成果以題“Improving mechanical properties of wire arc additively manufactured AA2196 Al–Li alloy by controlling solidification defects”發表在金屬頂刊Additive Manufacturing上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102019

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與傳統的鑄造制造工藝相比，由于WAAM過程中的冷卻速度快，WAAM合金的晶粒尺寸小于100 µm，而不是傳統的鑄造工藝的100 µm以上。使用峰值時效熱處理，可以獲得90nm至160nm范圍內的納米級T 1沉淀物。此外，還有少量的θ‘和富Ag的Ω強化相。

圖1。（a）WAAM沉積設置。（b）沉積的AA2196 Al-Li合金的四壁。（c）AA2196 Al-Li合金的沉積壁。（d）用于拉伸測試的狗骨樣品的尺寸。

圖2。（a）鋁鋰合金的屈服拉伸強度和泊松比隨溫度的變化；（b）Al-Li合金的密度和比熱隨溫度的變化。

圖3。WAAM處理的2196 Al-Li合金的微觀結構分布：（a）晶粒尺寸表征，和（b）晶粒尺寸分布。

圖4。AA2196 Al-Li合金的SEM圖像，包括：（a）沉積的；（b）T6熱處理；（c）23％的熱變形+ T6熱處理；（d）42％的熱變形+ T6熱處理。

由于氫的高度過飽和，WAAM Al-Li零件也具有大量的微孔，其尺寸聚集在10–30 ?m，其中一些可能達到100 ?m。觀察到那些微孔沿著融合路徑排列，與在主體區域內的那些相比，在中間沉積層處具有更高的密度和更大的尺寸。如果沒有熱變形，則隨后的T6熱處理實際上會加劇這種情況，而不是通過增大孔隙大小來遷移不良的機械性能。我們發現42％的熱變形和T6熱處理可以有效地封閉孔隙，并將其中的大多數降低到30 ?m以下，從而有效地消除了裂紋的萌生部位。

圖5。XCT在不同條件下使用AA2196 Al-Li合金中的XCT對3D（a，b，c，d）和2D（e，f，g，h）中的微孔進行了表征：（b，f）T6；（c，g）23％熱變形+? T6熱處理；（d，h）42％熱變形+ T6熱處理。

圖6。在不同條件下，AA2196 Al-Li合金中微孔的等效直徑分布頻率：（a）WAAM ；（b）T6；（c）23％的熱變形+? T6熱處理；（d）42％熱變形+ T6熱處理。

通過X射線計算機斷層掃描（XCT）表征和有限元方法（FEM）模擬，我們發現了微孔封閉的機理。正是壓縮應力和對拉應力的精心控制才能使孔隙率降至最低。如果這兩個壓力沒有得到很好的控制（例如降低23％會發生什么情況），則將促進微孔增長而不是封閉微孔。因此，通過42％的熱變形然后進行T6熱處理，我們成功地獲得了最佳性能，獲得了439 MPa的UTS和6.9％的伸長率，遠遠超過了260 MPa時沒有熱變形的情況和0.9%時沒有熱變形的情況。