西安交大盧秉恒院士增材制造頂刊《AM》：增材制造新型高性能鈦纖維增強5xxx鋁合金
時間：2023-03-06 10:58 來源：材料學網 作者：admin 閱讀：次
導讀：5xxx鋁合金由于其良好的焊接性和耐腐蝕性等優點，在不同的工業領域得到了廣泛的應用。然而，它們的那些強度低于2xxx和7xxx的同類產品，限制了它們在高承重條件下的應用。為了提高增材Al5183鋁合金的力學性能，本工作首次采用雙絲進給系統的線基定向能量沉積-電弧制造(DED-arc)方法制備了鈦纖維增強鋁(TFRA)構件。通過嚴格控制進給路徑和電弧熱輸入，使增強鈦纖維保持固態。鈦合金絲與鋁合金基體界面厚度約為3
~ 10 μ
m，化學成分呈梯度轉變，無明顯開裂傾向。結果表明，與非纖維增強鋁構件相比，添加10.5%體積分數的鈦纖維，TFRA構件的屈服率和抗拉強度分別提高了124%和33%。同時，沖擊能量從原來的7.9
~ 18.0
J提高了128%，通過混合律理論對強度的增加進行了分析，并通過有限元模擬進行了驗證。TFRA構件沖擊性能的提高是由于鈦纖維阻斷了鋁基體中的裂紋擴展。因此，本工作為利用電弧制備連續纖維高強度鋁合金提供了一種有前景的方法。
鋁合金由于其重量輕、易于成型和加工等優點，被廣泛應用于航空航天和機械等不同領域。其中5xxx系列鋁合金具有優異的耐腐蝕性和可焊性等特點。然而，它們的抗拉強度仍然不如2xxx系列和7xxx系列鋁合金，限制了它們在高承重條件下的應用。通常采用熱處理來提高材料的機械強度，但在實際應用中，5系鋁合金很難通過熱處理來強化，因為熱處理會導致材料的伸長率急劇下降，從而影響材料的整體力學性能。
微量合金元素的加入也有助于改善材料的力學性能。在Al5183焊絲材料中加入合金微量元素Zr和Er，使其抗拉強度提高了40 MPa，有效地促進了精細化Al3Er、Al3Zr和Al3(Zr, Er)相的形成。在5xxx鋁合金中加入Sc并進行回火熱處理，也可獲得很好的強化效果和較高的屈服強度。已有研究表明，在鋁合金中加入Sc可以顯著提高鋁合金的抗拉強度，從301 MPa提高到377 MPa。然而，稀土元素Sc的高成本(每0.1%的Sc含量增加約3美元/公斤的成本)，阻礙了Sc作為合金添加劑在工業上的廣泛應用。此外，Al3Sc顆粒難以在熔池內均勻分布。近年來一些開創性的研究報道了Al3Sc通常在熔池邊界附近積累，因此還需要熱處理來進一步調節顯微組織。因此，迫切需要開發一種低成本、工藝簡單、易于實施的提高5xxx鋁合金強度的替代技術。通過在鋁基合金中加入纖維或顆粒形成金屬基復合材料，也是提高材料力學性能的重要方法。連續纖維增強鋁基體可以顯著提高材料沿纖維方向的強度，但主要可以通過擠壓鑄造工藝制備簡單成型件。引入強化劑SiC、陶瓷顆粒、碳納米管和碳化物顆粒也是一種有效的方法。但上述結果表明，鋁合金的硬度和強度可以明顯提高，但塑性和韌性降低。因此尋找新的方法來同時提高強度和延性需要提上日程。
增材制造技術具有較高的靈活性，這為提高材料性能提供了一種新的途徑。在此基礎上，本文對提高增材制造鋁合金的材料強度進行了大量研究。基于激光的增材制造如粉末床熔合和定向能量沉積，已成為近年來的重要研究課題。然而，激光在鋁合金上的高反射率導致吸收效率低，過程不穩定。因此，大多數不可焊接的高強度鋁合金，如2xxx和7xxx系列鋁合金，在激光增材制造過程中容易出現裂紋缺陷。定向能沉積電弧制造技術(DED-arc)作為一種新興技術，因其成形效率高、成本低而可應用于大規模工業生產。這種先進的技術引起了極大的關注，促進了其快速發展，尤其是鋁合金。5xxx系列鋁合金具有優異的耐腐蝕性和可焊性等特點，使其適合于DED-arc的候選材料。特別是基于冷金屬轉移(CMT)的DED-arc由于其高沉積速率、低熱輸入和有限的濺射而引起了人們的極大興趣。然而，DED-arc技術也存在一些缺點，如強度較差，這主要是由于存在等孔隙缺陷。因此，許多研究人員將重點放在降低孔隙率上，如采用工藝優化和輔助工藝。結果表明，經層間軋制[33]可顯著改善DED-arc制備的鋁合金構件的性能。通過添加層間錘擊輔助手段，減少了氣孔缺陷。研究表明，通過減少孔隙率等缺陷，可以達到提高機械強度的有利效果。通過工藝優化或層間變形，DED-arc制備的材料機械強度基本能滿足板材的標準要求，但難以獲得更優越的性能。
在此，西安交通大學、方學偉團隊采用基于CMT的絲弧增材制造技術制備了鈦纖維增強鋁合金(TFRA)構件,對TFRA構件的拉伸和沖擊性能進行了表征，并與非增強構件進行了對比分析。采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對鋁基體和鈦纖維增強體的微觀結構及界面進行了詳細研究。最后，利用掃描電鏡進行了斷口形貌分析，并對TFRA組分的強化增韌機理進行了評價。相關研究成果以題“Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy”發表在Additive Manufacturing上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860423000581
鋁合金由于其重量輕、易于成型和加工等優點，被廣泛應用于航空航天和機械等不同領域。其中5xxx系列鋁合金具有優異的耐腐蝕性和可焊性等特點。然而，它們的抗拉強度仍然不如2xxx系列和7xxx系列鋁合金，限制了它們在高承重條件下的應用。通常采用熱處理來提高材料的機械強度，但在實際應用中，5系鋁合金很難通過熱處理來強化，因為熱處理會導致材料的伸長率急劇下降，從而影響材料的整體力學性能。
微量合金元素的加入也有助于改善材料的力學性能。在Al5183焊絲材料中加入合金微量元素Zr和Er，使其抗拉強度提高了40 MPa，有效地促進了精細化Al3Er、Al3Zr和Al3(Zr, Er)相的形成。在5xxx鋁合金中加入Sc并進行回火熱處理，也可獲得很好的強化效果和較高的屈服強度。已有研究表明，在鋁合金中加入Sc可以顯著提高鋁合金的抗拉強度，從301 MPa提高到377 MPa。然而，稀土元素Sc的高成本(每0.1%的Sc含量增加約3美元/公斤的成本)，阻礙了Sc作為合金添加劑在工業上的廣泛應用。此外，Al3Sc顆粒難以在熔池內均勻分布。近年來一些開創性的研究報道了Al3Sc通常在熔池邊界附近積累，因此還需要熱處理來進一步調節顯微組織。因此，迫切需要開發一種低成本、工藝簡單、易于實施的提高5xxx鋁合金強度的替代技術。通過在鋁基合金中加入纖維或顆粒形成金屬基復合材料，也是提高材料力學性能的重要方法。連續纖維增強鋁基體可以顯著提高材料沿纖維方向的強度，但主要可以通過擠壓鑄造工藝制備簡單成型件。引入強化劑SiC、陶瓷顆粒、碳納米管和碳化物顆粒也是一種有效的方法。但上述結果表明，鋁合金的硬度和強度可以明顯提高，但塑性和韌性降低。因此尋找新的方法來同時提高強度和延性需要提上日程。
增材制造技術具有較高的靈活性，這為提高材料性能提供了一種新的途徑。在此基礎上，本文對提高增材制造鋁合金的材料強度進行了大量研究。基于激光的增材制造如粉末床熔合和定向能量沉積，已成為近年來的重要研究課題。然而，激光在鋁合金上的高反射率導致吸收效率低，過程不穩定。因此，大多數不可焊接的高強度鋁合金，如2xxx和7xxx系列鋁合金，在激光增材制造過程中容易出現裂紋缺陷。定向能沉積電弧制造技術(DED-arc)作為一種新興技術，因其成形效率高、成本低而可應用于大規模工業生產。這種先進的技術引起了極大的關注，促進了其快速發展，尤其是鋁合金。5xxx系列鋁合金具有優異的耐腐蝕性和可焊性等特點，使其適合于DED-arc的候選材料。特別是基于冷金屬轉移(CMT)的DED-arc由于其高沉積速率、低熱輸入和有限的濺射而引起了人們的極大興趣。然而，DED-arc技術也存在一些缺點，如強度較差，這主要是由于存在等孔隙缺陷。因此，許多研究人員將重點放在降低孔隙率上，如采用工藝優化和輔助工藝。結果表明，經層間軋制[33]可顯著改善DED-arc制備的鋁合金構件的性能。通過添加層間錘擊輔助手段，減少了氣孔缺陷。研究表明，通過減少孔隙率等缺陷，可以達到提高機械強度的有利效果。通過工藝優化或層間變形，DED-arc制備的材料機械強度基本能滿足板材的標準要求，但難以獲得更優越的性能。
在此，西安交通大學、方學偉團隊采用基于CMT的絲弧增材制造技術制備了鈦纖維增強鋁合金(TFRA)構件,對TFRA構件的拉伸和沖擊性能進行了表征，并與非增強構件進行了對比分析。采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對鋁基體和鈦纖維增強體的微觀結構及界面進行了詳細研究。最后，利用掃描電鏡進行了斷口形貌分析，并對TFRA組分的強化增韌機理進行了評價。相關研究成果以題“Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy”發表在Additive Manufacturing上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860423000581
圖1 (a)電弧雙絲纖維增強添加劑工藝原理示意圖;(b)電弧雙線纖維增強添加劑裝置實物圖;(c)火炬振蕩模式示意圖;(d) TFRA組件中Al5183和Ti64光纖的x射線測試結果。
圖2 TFRA取樣示意圖。
(a)TFRA沉積體;(b)沖擊樣本;(c)金相樣品;(d)拉伸樣品;(e)密度試驗樣品。
圖片
有限元模型和邊界條件。
圖4 金相組織機理圖。
(a)宏觀形貌;(b)纖維增強鈦合金絲材與鋁合金基板的圍合形態;(c)線材中晶粒微觀結構差異示意圖。
圖5 線材上、中、下位置界面SEM、EDS圖。
(a)、(d)、(g)分別為線材與鋁合金基板的上、右、下側界面，無裂紋或未熔透缺陷。圖5(b)、(e)、(h)分別為局部放大的上、中、下區域細節;圖5(c)、(f)、(i)為各區域元素組成的線掃描圖。
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