江西理工大學：增材制造7系鋁合金的直接時效熱處理及疲勞裂紋擴展行為
2023-05-06 17:08:18
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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激光粉末床熔融(LPBF)是近年發展起來的一種增材制造(AM)技術，通過使用激光束選區熔化連續的粉末層，能夠制備具有復雜結構的部件。LPBF技術具有很多優點，諸如具有不需要模具，材料利用率高，生產所用周期短等優點。然而，Al-Zn-Mg-Cu合金熔化流動性差、反射率及熱導率高使得其在LPBF加工過程中極易形成高孔隙率和裂紋，影響打印件的性能。日前，來自江西理工大學研究人員研究了不同直接時效溫度和時效時間對LPBF制備的Si-Zr-Er改性Al-Zn-Mg-Cu合金的顯微組織、力學性能和耐蝕性的影響。研究結果表明打印態和直接時效處理態合金中形成了雙峰晶粒結構，由熔池邊界處的細小等軸晶粒和熔池中的粗大柱狀晶粒組成。通過直接時效處理可以改善合金的力學性能，最高抗拉強度達到465MPa。析出的Mg2Si和Al3(Er,Zr)對提高力學性能起著重要作用。大角度晶界和析出相對于評估合金的耐腐蝕性具有重要作用。相關工作以“Effect of direct aging treatment on microstructure, mechanical and corrosion properties of a Si-Zr-Er modified Al-Zn-Mg-Cu alloy prepared by selective laser melting technology”為題發表在《Materials Characterization》上。李聲慈副教授為論文通訊作者，碩士生張志騫為論文第一作者。https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112459
圖1:不同工藝下的SEM形貌(a)打印態;(b)圖a中白色方框局部放大圖;(c)150℃×2h;(d)圖c中白色方框局部放大圖;(e)150℃×4h;(f)圖e中白色方框局部放大圖;(g)150℃×14h;(h)圖g中白色方框局部放大圖;(i)120℃×4h;(j)圖i中白色方框局部放大圖;(k)240℃×4h;(l)圖k中白色方框局部放大圖
圖2:不同樣品的TEM圖像：(a, e)打印態；(b, f)150℃×2h；(c, g)150℃×4h；(d，h)150℃×14h；(i)150℃×2h、(j)150℃×4h的EDS面掃譜圖。
此外，研究團隊探討了LPBF制備合金的疲勞裂紋擴展行為機理。研究結果表明，熔池邊界對裂紋擴展路徑無明顯影響，晶粒取向、晶界、夾雜物會顯著影響疲勞裂紋的擴展路徑。裂紋尖端附近累積的位錯會與第二相結合，阻礙疲勞裂紋的擴展。疲勞裂紋擴展存在穿晶和沿晶兩種模式，當裂紋遇到高取向的晶粒時，容易發生偏轉。應力比r越小或最大載荷Pmax越大，疲勞裂紋擴展速率更大，疲勞壽命越短。相關工作以“Microstructure, mechanical properties and fatigue crack growth behavior of an Al-Zn-Mg-Cu-Si-Zr-Er alloy fabricated by laser powder bed fusion”發表在《International Journal of Fatigue》上。李聲慈副教授和Olanrewaju A. Ojo教授為論文通訊作者，李德華為論文第一作者。https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.107636
圖4 (a) (b) Line1和(c) Line2的EDS線掃描路徑及對應結果；(d)胞狀結構形態；(e-k) (d)元素分布圖
圖5 (a) OM和(b) SEM拍攝的疲勞裂紋擴展路徑；(c) (b)中區域1的放大；(d) (b)中區域2的放大和相應的EDS結果；(e) (b)中區域3的擴大；(f) (b)中區域4的放大和相應EDS結果(wt.%)；(g) (b)中區域5的放大
圖6 (a) SEM和(b) EBSD的裂紋擴展路徑；(c) (b)中直線A的點對原點(累積)取向差和點對點(局部)取向差圖
圖7 (a)裂紋長度與疲勞循環(a-N)曲線；(b)不同試樣的的FCG速率比較；(c)疲勞裂紋擴展試驗后試樣的形貌
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