中科院金属所等：电弧增材制造制备600MPa级超高强度铝合金构件

| 3DScienceValley · 2023/10/06

近期，在中科院金属所、澳大利亚伍伦贡大学以及沈阳航空航天大学等单位合作开展的研究工作中，科研团队研制的7B55-Sc铝合金丝材，利用冷金属过渡（CMT）电弧增材制造技术（WAAM）成功制备了无裂纹的Al-Zn-Mg-Cu-Sc铝合金构件，经T6热处理后，铝合金样件的抗拉强度达到618 MPa，在WAAM铝合金领域首次突破了600 MPa的强度级别。

相关论文以题为“ Microstructure and mechanical properties of 600 MPa grade ultra-high strength aluminum alloy fabricated by wire-arc additive manufacturing”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

DOI: 10.1016/j.jmst.2022.12.007

研究背景

电弧增材制造（WAAM）是以电弧为热源，以丝材为填充材料，按照设定的路径逐层堆积，实现构件短流程、近成形的先进加工技术。它具有熔敷效率和材料利用率高的优点，非常适合于大尺寸金属构件的高效、快速制造。7系超高强度铝合金由于具有高的比强度、良好的耐蚀性和加工性能而广泛用于航空航天领域轻质、高强零部件的加工制造。然而现有的7系铝合金在熔化焊过程中极易产生热裂纹缺陷，被认为是“不可焊”铝合金。使用现有的铝合金丝材进行WAAM，很难获得无裂纹的具有超高强度的铝合金构件。因此，设计优化7系铝合金的化学成分，开发出适用于WAAW的超高强度铝合金专用丝材，已经成为突破大尺寸超高强度铝合金WAAW技术发展亟待解决的关键问题。

研究亮点

中科院金属所、澳大利亚伍伦贡大学以及沈阳航空航天大学等单位合作，通过设计优化7系铝合金丝材的化学成分，添加孕育剂Sc、Zr元素，优化熔炼工艺以及采用连续挤压成丝新技术，开发了一种适用于WAAM工艺的新型超高强度Al-Zn-Mg-Cu-Sc铝合金丝材，命名为7B55-Sc，采用CMT工艺成功制备了无裂纹的铝合金构件。经过T6热处理后，WAAM的7B55-Sc铝合金的抗拉强度达到了618 MPa，在WAAM铝合金领域首次突破了600 MPa的强度级别。

其强化机理是: 凝固时形成的初生微米级的Al3Sc、Al3(Sc,Zr)颗粒在WAAM过程中作为非均质形核核心，促进了细小等轴晶组织的形成；而经T6热处理后，晶内析出大量的与基体保持共格关系的GP区、η′相和Al3(Sc,Zr)颗粒是WAAM 7B55-Sc铝合金具有超高强度的主要原因。研究成果有助于实现航空航天领域大尺寸、超高强度铝合金部件的快速增材制造的需求。

图文解析

图1
(a) 7B55-Sc铝合金丝材; (b)WAAM系统; (c)无裂纹单道多层铝合金构件

图2
(a)取样位置示意图; (b)拉伸试样尺寸

图3

7B55-Sc合金沉积态和T6热处理后不同截面的金相组织: (a, b) 沉积态下的YOZ和XOZ截面的金相组织; (c, d) T6热处理状态下的YOZ和XOZ截面的金相组织

图4
7B55-Sc合金沉积态和T6热处理后的EBSD分析结果: (a, b, c, d) 沉积样品和 (e, f, g, h) T6热处理样品的EBSD IPF图、晶粒大小分布、晶界角分布和极图

图5
WAAM过程中等轴晶形成机理示意图

图6
7B55-Sc合金沉积态和T6热处理之后的BSE图像和点扫描结果: (a) 沉积状态 (b) T6热处理状态

图7

7B55-Sc合金沉积态和T6热处理后的XRD图

图8

7B55-Sc合金沉积态下晶内析出第二相的STEM结果: (a) 7B55-Sc合金沉积态下晶内STEM图像; (b) η′ 相的 HAADF-STEM图像和EDS图; (c，d) 区域A的放大图和 η′ 相的FFT; (e) ηMg(Zn,Cu,Al)2 相和 T 相的HAADF-STEM图像和EDS图; (f, g) 区域B的放大图和 ηMg(Zn,Cu,Al)2 相的FFT; (h, i) 区域C的放大图和 T 相的FFT

图9
7B55-Sc在T6热处理后晶内析出第二相的STEM结果: (a) 7B55-Sc合金在T6热处理后晶内STEM图像; (b) T6热处理之后的 η′ 相，GP区和次生Al3 (Sc,Zr) 的HAADF-STEM图像和EDS图; (c, d) 区域D的放大图和次生Al3(Sc,Zr) 的FFT; (e) 次生Al3(Sc,Zr) 的壳核结构

图10

7B55-Sc合金在沉积态和T6热处理条件下的拉伸性能: (a) 7B55-Sc合金在水平和垂直方向的工程应力-应变曲线; (b) 拉伸试验结果统计

图11

WAAM增材制造不同铝合金的强度和伸长率对比

图12

7B55-Sc合金沉积态和T6热处理的断口形貌: (a) 沉积状态下的水平和 (b)竖直方向的断口形貌 (c) T6热处理状态下的水平和 (d) 竖直断口形貌

结论展望

(1) 7B55-Sc合金在沉积态和T6热处理条件下的微观组织均是由细小的等轴晶组成，T6热处理后晶粒无粗化现象，平均晶粒尺寸约为6.0μm。

(2) 沉积态条件下，初生的Al3(Sc,Zr) 颗粒在凝固过程中作为非均质形核核心，促进了细小等轴晶的形成。在T6热处理后析出的次生纳米级的Al3(Sc,Zr) 颗粒不仅提高了铝合金的热稳定性，阻碍晶粒长大，而且具有析出强化作用。

(3) 在沉积态条件下，晶界析出了大量连续的共晶组织，晶内析出相为η’ 相、η相和T相。T6热处理后，分布于沿晶界的共晶组织大部分溶入到Al基体中，而晶内析出了大量的GP区、η’ 相和次生的Al3(Sc,Zr) 颗粒，导致强度显著提高。

(4) T6热处理后，试件水平方向的平均UTS、YS和伸长率分别为618±4MPa，542±6MPa和 5.7%±0.7%。抗拉强度成功突破了600 MPa，这是迄今报道的WAAM铝合金中强度最高水平。

来源 l 材料科学和技术

论文引用信息：

Xinpeng Guo, Huijun Li*, Peng Xue, Zengxi Pan, Rongzheng Xu, Dingrui Ni*, Zongyi Ma, Recent advances in designing ZnIn2S4-based heterostructured photocatalysts for hydrogen evolution, J. Mater. Sci. Technol. 149 (2023) 56-66.

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