導(dǎo)讀：激光粉末床熔合( LPBF )高強(qiáng)度鋁合金（如 2xxx、6xxx 和 7xxx 系列合金）對(duì)凝固裂紋的敏感性很高。本文開(kāi)發(fā)了一種無(wú)裂紋的新型高強(qiáng)度 Al-Cu-Mg-Y 合金，由 LPBF 使用稀土釔(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 被認(rèn)為是消除凝固裂紋的有效合金元素，這主要是由于脆性溫度范圍變窄、凝固裂紋減少的共同作用。Y元素也可以與Al和Cu反應(yīng)。在 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金中，更多的 Al8Cu4Y 相和更細(xì)的晶粒導(dǎo)致比大多數(shù) LPBF 制造的鋁合金具有更高的抗壓屈服強(qiáng)度。有趣的是，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金在高達(dá)70%的大壓縮應(yīng)變下可以高度變形而不會(huì)塌陷。T6熱處理后， LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金在屈服點(diǎn)后的壓應(yīng)力顯著增加。

作為基于粉末床的增材制造 (AM) 技術(shù)之一，激光粉末床熔合(LPBF) 已被用于制造具有幾何復(fù)雜性的金屬部件。由于對(duì)制造高強(qiáng)度輕質(zhì)部件的高需求，LPBF 在鋁合金中的應(yīng)用最近引起了極大的關(guān)注。如前所述，LPBF 廣泛使用的鋁合金是 Al-Si 系統(tǒng)（如 AlSi10Mg 和 AlSi12 合金），因?yàn)榻簿i元素的組成可以改善熔融狀態(tài)下的液體流動(dòng)性，減小凝固范圍，進(jìn)而消除凝固過(guò)程中 的裂紋。此外，LPBF 工藝參數(shù)的優(yōu)化可以制造高密度的 Al-Si 合金，同時(shí)孔隙率水平顯著降低。LPBF 過(guò)程中的高加熱和冷卻速率允許在 Al-Si 合金中形成精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，從而與鑄造對(duì)應(yīng)物相比具有更高的強(qiáng)度. 盡管后熱處理可以提高 LPBF 制造的 Al-Si 合金的延展性，但由于細(xì)孔共晶 Si相的粗化，強(qiáng)度開(kāi)始顯著下降。因此，LPBF 制造的 Al-Si 合金的機(jī)械性能遠(yuǎn)不能令人滿意。為 LPBF 設(shè)計(jì)的其他鋁合金系統(tǒng)是 Al-Mg-Sc 和 Al-Mn-Sc 合金。Sc元素的添加是消除凝固裂紋、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與延展性協(xié)同的有效途徑。此外，直接時(shí)效可以通過(guò)形成細(xì)小的 Al 3 Sc 顆粒來(lái)進(jìn)一步提高這些合金的機(jī)械性能。然而，元素 Sc 的高生產(chǎn)成本可能會(huì)限制 LPBF 制造的 Al-Mg-Sc 和 Al-Mn-Sc 合金的廣泛應(yīng)用。

采用預(yù)熱處理對(duì)于避免 LPBF 制造的變形鋁合金中的凝固裂紋很重要。無(wú)裂紋 6061 合金已通過(guò) LPBF 制造，并在 500 °C 下預(yù)熱粉末床[41] 。高溫預(yù)熱實(shí)現(xiàn)了降低的冷卻速度，確保在改進(jìn)的凝固條件下消除裂紋。通過(guò)高溫預(yù)熱，LPBF 制造的 6061 合金中的熔池形態(tài)被去除，這與第二相沿柱狀晶界的粗化有關(guān)。T6熱處理后這種無(wú)裂紋合金的抗拉強(qiáng)度可與鍛造 6061 合金相媲美。然而，在 LPBF 過(guò)程中，較高溫度的預(yù)熱處理難以誘導(dǎo)細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)。

從鑄造性和力學(xué)性能的角度來(lái)看，稀土元素釔（Y）是一種很有前途的鋁合金微合金化元素。Y元素可以縮短鋁合金的凝固范圍，降低凝固裂紋傾向，提高鋁合金的力學(xué)性能。一個(gè)典型的例子是 Pozdniakov 等人報(bào)道的鑄造 Al-Cu-Y 合金。在他們的工作中，Al-Cu-Y 合金表現(xiàn)出與商業(yè) Al-Si 合金相似的低凝固裂紋敏感性。由于元素 Y 的添加，富 Y共晶相在鑄態(tài)下形成顯示出高熱穩(wěn)定性的。在淬火和隨后的軋制之后，這種合金可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延展性的良好結(jié)合。上述討論強(qiáng)調(diào)了一種通過(guò)添加元素 Y 由 LPBF 制造無(wú)裂紋變形鋁合金的新策略。目前的工作是使用 Y 改性 2024 合金粉末通過(guò) LPBF 開(kāi)發(fā)一種新型 Al-Cu-Mg-Y 合金。從脆性溫度范圍、凝固裂紋敏感性和細(xì)化晶粒等方面討論了LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金的裂紋消除機(jī)理。微觀結(jié)構(gòu)演變并詳細(xì)研究了其在LPBF工藝和T6熱處理過(guò)程中對(duì)無(wú)裂紋Al-Cu-Mg-Y合金力學(xué)性能的影響。這項(xiàng)工作為開(kāi)發(fā)適用于 LPBF 的新型高強(qiáng)度鋁合金提供了基礎(chǔ)。

華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Shang Zhu教授團(tuán)隊(duì)研究了 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的微觀結(jié)構(gòu)和壓縮性能，并與不含 Y 的 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金進(jìn)行了比較。添加Y元素被證明是消除凝固裂紋和改善壓縮性能的有效途徑。主要結(jié)論總結(jié)如下：

1.與 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金沿構(gòu)建方向包含幾乎筆直的凝固裂紋不同，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金無(wú)裂紋，孔隙率為 1.27 ± 0.12 vol%。凝固裂紋消除與脆化溫度范圍、凝固裂紋敏感性指數(shù)和細(xì)化晶粒有關(guān)。首先，Y元素的添加導(dǎo)致脆化溫度范圍變窄，這意味著發(fā)生凝固裂紋的可能性有限。其次，Y元素可以降低裂紋敏感性指數(shù)，從而提高抗裂性。第三，Y元素細(xì)化了晶粒，提高了進(jìn)液能力，增韌了半固態(tài)材料。因此，抑制了相鄰晶粒之間凝固裂紋的形成。

2.與 LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金的顯微組織相比，Y 元素的添加導(dǎo)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這些相的生成焓比較負(fù)和元素 Y 的化學(xué)性質(zhì)活躍。另外，晶粒長(zhǎng)大限制因子隨著元素 Y 的加入而增加，細(xì)化了晶粒。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金中的晶粒。

3.在 T6 熱處理后，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金顯示出從 Al 8 Cu 4 Y 枝晶到 Al 8 Cu 4 Y 顆粒的轉(zhuǎn)變。隨后，較大的Al 8 Cu 4 Y 顆粒開(kāi)始粗化，但以小的Al 8 Cu 4 Y 顆粒為代價(jià)。Al 2 CuMg 和Al x Mn y顆粒的形成也同時(shí)發(fā)生。此外，在Al基體的{111}面上形成了片狀的Ω析出物。考慮到由分布顆粒（Al 8 Cu 4 Y、Al2 CuMg 和 Al x Mn y ) 在 Al 基體中，在 T6 熱處理后，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的整體晶粒結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變。

4.LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的抗壓屈服強(qiáng)度為 267 ± 10 MPa，高于大多數(shù) LPBF 制造的鋁合金。在 T6 熱處理后，LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金在屈服點(diǎn)后由于 Ω 析出物的形成而顯示出壓縮應(yīng)力的快速增加，從而在塑性變形過(guò)程中產(chǎn)生高水平的抗剪切性. 比較LPBF制備的Al-Cu-Mg-Y合金T6熱處理前后的抗壓和抗拉特性，抗拉強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度。這種差異可歸因于 LPBF 制造和 T6 熱處理的 Al-Cu-Mg-Y 合金中的內(nèi)部孔隙。這些孔隙在拉伸試驗(yàn)期間充當(dāng)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

相關(guān)研究成果以題“Microstructure characterization and mechanical properties of crack-free Al-Cu-Mg-Y alloy fabricated by laser powder bed fusion”發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。

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

圖 1。原料粉末的 SEM 圖像。(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 圖, (e) (e) ( C）。(c) 中的黃色箭頭表示 Y 粉末很好地分散在 2024 合金粉末中。

圖 2。LPBF 過(guò)程中掃描策略的示意圖。

圖 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 視圖。(c) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金和 (d) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的顯微 CT 圖像，插圖顯示沿構(gòu)建方向 (BD) 的代表性截面。

圖 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 圖像。圖4b和c是圖4a中標(biāo)記區(qū)域的放大圖。圖 4 e 和 f 是圖 4 d中標(biāo)記區(qū)域的放大圖。MPB 是指熔池邊界，MPC 是指熔池中心。MPB 在圖4a和 d中由白色虛線表示。

圖 5。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 和 Al-Cu-Mg-Y 合金的XRD 圖(a) 和 DSC 冷卻曲線 (b)。圖 5a中的插圖顯示了 25° ≤ 2θ ≤ 60° 之間的 XRD 圖案的放大圖。

圖 6。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的 TEM 分析。(a) HAADF-STEM 圖像和相應(yīng)的元素映射，(b) HRTEM 圖像和與虛線標(biāo)記的區(qū)域相對(duì)應(yīng)的快速傅里葉變換(FFT) 模式。

圖 7。實(shí)驗(yàn)合金的EBSD分析。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金的取向顏色圖，(b) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的取向顏色圖，(c) LPBF 制造的 Al- 極圖Cu-Mg 合金，(d) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金的極圖，(e) 兩種合金的晶粒尺寸分布。

圖 8。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 和 Al-Cu-Mg-Y 合金的熱導(dǎo)率和 (b) 2024 粉末和 2024/Y 混合粉末的激光反射率。

圖 9。T6熱處理后LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金的顯微組織表征。(a) OM 視圖，(b, c) SEM 圖像，(d, e) XRD 圖案。圖9c是圖9b中標(biāo)記區(qū)域的高倍放大圖。圖9e是圖8d所示區(qū)域的放大圖。

圖 10。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金隨后進(jìn)行 T6 熱處理的 EPMA 結(jié)果。(a) SEM背散射電子圖像和 (bf) 對(duì)應(yīng)于圖10a 的元素分布。

圖 11。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金在 T6 熱處理后的 HRTEM 圖像和 (b) 與圖 10a 中標(biāo)記的區(qū)域相對(duì)應(yīng)的快速傅里葉逆變換 (FFT)圖像。圖10a 中的插圖顯示了沿 Al 矩陣的<110>區(qū)域軸的相應(yīng) FFT 模式。插圖中的箭頭指向連續(xù)的擴(kuò)散條紋。

圖 12。T6熱處理后LPBF制造的Al-Cu-Mg-Y合金的EBSD分析。(a) 取向顏色圖，(b) 極圖和 (c) 粒度分布。

圖 13。(a) 本合金的壓縮工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖顯示了 LPBF 制造和 T6 熱處理的 Al-Cu-Mg-Y 合金的壓縮工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為清楚起見(jiàn)，顯示了高達(dá) 30% 的應(yīng)變。(b) 本合金與其他 LPBF 制造的鋁合金 (AlSi10Mg [2] , Al-Mg-Sc-Zr [22] , AlSi12 [77] , Al-Zn-Mg-Cu ) 的抗壓屈服強(qiáng)度比較[50]和 Al-Zn-Mg-Cu-Si [65] )。(c)斷裂面LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金在壓縮后的性能。(d) (c) 所示標(biāo)記區(qū)域的放大圖。(e) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金壓縮后的宏觀形貌和 (f) 其圓柱表面上的一些裂紋。(g) T6 熱處理 Al-Cu-Mg-Y 合金壓縮后的宏觀形貌和 (h) 其圓柱表面上的一些裂紋。

圖 14。(a) 本合金的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(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 熱處理的 Al-Cu-Mg 合金的拉伸斷口-Y 合金。圖 14 c 和 d中的插圖顯示了凹坑。

圖 15。(a) 通過(guò)積分法從 DSC 結(jié)果獲得的本合金的凝固曲線。(b) 本合金的T-(F s ) 1/2曲線，其中T是溫度，F(xiàn) s是固體分?jǐn)?shù)。

圖 16。(a) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金凝固裂紋的形成和 (b) LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金凝固裂紋的消除示意圖。

圖 17。LPBF 制造的 Al-Cu-Mg 合金、LPBF 制造的 Al-Cu-Mg-Y 合金和 T6 熱處理 Al-Cu-Mg-Y 合金的顯微組織演變示意圖。