異質(zhì)多絲間接電弧增材制造原位合成Al-Zn-Mg-Cu合金

來源： 焊接切割聯(lián)盟

Al-Zn-Mg-Cu合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能而得到廣泛的應(yīng)用，特別是在航空航天領(lǐng)域。然而，航空航天結(jié)構(gòu)件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)加工方法提出了巨大的挑戰(zhàn)。特別是當(dāng)考慮到航空航天行業(yè)的減重需求時(shí)，構(gòu)件通常采用復(fù)雜多變的幾何形狀，如薄壁、鏤空構(gòu)件等，這通常會(huì)增加制造難度。焊絲+電弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）是以電弧為熱源，沿規(guī)劃路徑逐層熔化并沉積金屬，其材料利用率高，非常適合制造大型近凈成形金屬構(gòu)件。但是，由于Al-Zn-Mg-Cu合金強(qiáng)度高、塑性較差，加工成滿足電弧增材制造的絲材難度大、成本高。

針對(duì)上述背景，河北科技大學(xué)先進(jìn)連接與過程控制團(tuán)隊(duì)與電子科技大學(xué)曾志教授團(tuán)隊(duì)繞開傳統(tǒng)思路，利用現(xiàn)有商用焊絲，發(fā)揮間接電弧熔化效率高的優(yōu)勢(shì)，對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金的原位增材制造進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和技術(shù)攻關(guān)。近日，該團(tuán)隊(duì)在增材制造領(lǐng)域權(quán)威期刊《Additive Manufacturing》上報(bào)道了有關(guān)異質(zhì)多絲間接電弧增材制造原位合成Al-Zn-Mg-Cu合金的研究工作。該工作采用自主研制的交/直流間接電弧電源以5.1 kg/h的熔敷效率成功制備了Al-5.7Zn-3.4Mg-1.6Cu合金，全面探究了多絲間接電弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的工藝、組織和力學(xué)性能。論文標(biāo)題為“A novel heterogeneous multi-wire indirect arc directed energy deposition for in-situ synthesis Al-Zn-Mg-Cu alloy: Process, microstructure and mechanical properties”。河北科技大學(xué)先進(jìn)連接團(tuán)隊(duì)王立偉副教授為論文第一作者，共同作者為：河北科技大學(xué)吳濤碩士生、汪殿龍教授、梁志敏教授、楊瀟講師、彭珍珍講師、劉英講師、梁永梅講師、電子科技大學(xué)的曾志教授和新里斯本大學(xué)的Oliveira教授。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和河北省自然科學(xué)基金的大力支持，相關(guān)研究結(jié)果為增材制造原位合成高性能合金提供了新的方法。
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研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)間接電弧行為和熔滴過渡特性自主研發(fā)的專用電源提供了穩(wěn)定的增材制造工藝過程，通過多絲增材制造原位合成了以S（Al2CuMg）、η（Mg(Al, Zn, Cu)2）、和η′為主要構(gòu)成相的Al-5.7Zn-3.4Mg-1.6Cu（wt.%）合金。制備合金的成分配比和主要構(gòu)成相與目標(biāo)Al-Zn-Mg-Cu合金一致。試樣層間區(qū)域存在由細(xì)小等軸晶和胞狀晶構(gòu)成的熔合線，柱狀晶和等軸晶分布在熔合線的上、下兩側(cè)，層中心區(qū)域以傾斜生長的柱狀晶為主。由于絲材熔化效率高（5.1 kg/h），單層沉積尺寸大，試樣的晶粒度較大，試樣中部區(qū)域?qū)又行暮蛯娱g的平均晶粒尺寸分別為146.2 μm和126.0 μm。沉積試樣的平均硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為98.6 HV、243.9 MPa和5.9%，高于鑄態(tài)7050鋁合金。

圖1   棒狀和盤狀第二相的HRTEM和FFT圖：(a) HRTRM圖，(b)標(biāo)記為A的盤狀第二相和(c)標(biāo)記為B的棒狀第二相的HRTEM圖，(d)Al基體(e)盤狀和(f)棒狀第二相FFT模式圖

圖2   制備的Al-Zn-Mg-Cu合金YZ截面的EBSD結(jié)果：(a)測(cè)試位置，(b-e)B-E區(qū)域的反極圖，(f-i)B-E區(qū)域的晶粒分布圖，(j-m)B-E區(qū)域的極圖

圖3   制備的Al-Zn-Mg-Cu合金XZ截面的EBSD結(jié)果：(a)測(cè)試位置，(b-c)F和G區(qū)域的反極圖，(d-e)F和G區(qū)域的晶粒分布圖，(f-g)F和G區(qū)域的極圖

圖4   通過不同的WAAM工藝制備的Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸性能：(a)抗拉強(qiáng)度和延伸率，(b)不同WAAM工藝試樣的質(zhì)量指數(shù)Q

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103639

來源：河北科技大學(xué)王立偉老師供稿