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(qiáng)5xxx鋁合金
時間：2023-03-06 10:58 來源：材料學(xué)網(wǎng) 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：5xxx鋁合金由于其良好的焊接性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在不同的工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，它們的那些強(qiáng)度低于2xxx和7xxx的同類產(chǎn)品，限制了它們在高承重條件下的應(yīng)用。為了提高增材Al5183鋁合金的力學(xué)性能，本工作首次采用雙絲進(jìn)給系統(tǒng)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(qiáng)鋁(TFRA)構(gòu)件。通過嚴(yán)格控制進(jìn)給路徑和電弧熱輸入，使增強(qiáng)鈦纖維保持固態(tài)。鈦合金絲與鋁合金基體界面厚度約為3
~ 10 μ
m，化學(xué)成分呈梯度轉(zhuǎn)變，無明顯開裂傾向。結(jié)果表明，與非纖維增強(qiáng)鋁構(gòu)件相比，添加10.5%體積分?jǐn)?shù)的鈦纖維，TFRA構(gòu)件的屈服率和抗拉強(qiáng)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(qiáng)度的增加進(jìn)行了分析，并通過有限元模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。TFRA構(gòu)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(kuò)展。因此，本工作為利用電弧制備連續(xù)纖維高強(qiáng)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(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天和機(jī)械等不同領(lǐng)域。其中5xxx系列鋁合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性和可焊性等特點(diǎn)。然而，它們的抗拉強(qiáng)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(yīng)用。通常采用熱處理來提高材料的機(jī)械強(qiáng)度，但在實(shí)際應(yīng)用中，5系鋁合金很難通過熱處理來強(qiáng)化，因?yàn)闊崽幚頃䦟?dǎo)致材料的伸長率急劇下降，從而影響材料的整體力學(xué)性能。
微量合金元素的加入也有助于改善材料的力學(xué)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(qiáng)度提高了40 MPa，有效地促進(jìn)了精細(xì)化Al3Er、Al3Zr和Al3(Zr, Er)相的形成。在5xxx鋁合金中加入Sc并進(jìn)行回火熱處理，也可獲得很好的強(qiáng)化效果和較高的屈服強(qiáng)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(qiáng)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(yè)上的廣泛應(yīng)用。此外，Al3Sc顆粒難以在熔池內(nèi)均勻分布。近年來一些開創(chuàng)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(jìn)一步調(diào)節(jié)顯微組織。因此，迫切需要開發(fā)一種低成本、工藝簡單、易于實(shí)施的提高5xxx鋁合金強(qiáng)度的替代技術(shù)。通過在鋁基合金中加入纖維或顆粒形成金屬基復(fù)合材料，也是提高材料力學(xué)性能的重要方法。連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基體可以顯著提高材料沿纖維方向的強(qiáng)度，但主要可以通過擠壓鑄造工藝制備簡單成型件。引入強(qiáng)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(jié)果表明，鋁合金的硬度和強(qiáng)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(qiáng)度和延性需要提上日程。
增材制造技術(shù)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(chǔ)上，本文對提高增材制造鋁合金的材料強(qiáng)度進(jìn)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(dǎo)致吸收效率低，過程不穩(wěn)定。因此，大多數(shù)不可焊接的高強(qiáng)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(xiàn)裂紋缺陷。定向能沉積電弧制造技術(shù)(DED-arc)作為一種新興技術(shù)，因其成形效率高、成本低而可應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。這種先進(jìn)的技術(shù)引起了極大的關(guān)注，促進(jìn)了其快速發(fā)展，尤其是鋁合金。5xxx系列鋁合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性和可焊性等特點(diǎn)，使其適合于DED-arc的候選材料。特別是基于冷金屬轉(zhuǎn)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(shù)也存在一些缺點(diǎn)，如強(qiáng)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(diǎn)放在降低孔隙率上，如采用工藝優(yōu)化和輔助工藝。結(jié)果表明，經(jīng)層間軋制[33]可顯著改善DED-arc制備的鋁合金構(gòu)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(dá)到提高機(jī)械強(qiáng)度的有利效果。通過工藝優(yōu)化或?qū)娱g變形，DED-arc制備的材料機(jī)械強(qiáng)度基本能滿足板材的標(biāo)準(zhǔn)要求，但難以獲得更優(yōu)越的性能。
在此，西安交通大學(xué)、方學(xué)偉團(tuán)隊(duì)采用基于CMT的絲弧增材制造技術(shù)制備了鈦纖維增強(qiáng)鋁合金(TFRA)構(gòu)件,對TFRA構(gòu)件的拉伸和沖擊性能進(jìn)行了表征，并與非增強(qiáng)構(gòu)件進(jìn)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(qiáng)體的微觀結(jié)構(gòu)及界面進(jìn)行了詳細(xì)研究。最后，利用掃描電鏡進(jìn)行了斷口形貌分析，并對TFRA組分的強(qiáng)化增韌機(jī)理進(jìn)行了評價。相關(guān)研究成果以題“Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy”發(fā)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(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天和機(jī)械等不同領(lǐng)域。其中5xxx系列鋁合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性和可焊性等特點(diǎn)。然而，它們的抗拉強(qiáng)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(yīng)用。通常采用熱處理來提高材料的機(jī)械強(qiáng)度，但在實(shí)際應(yīng)用中，5系鋁合金很難通過熱處理來強(qiáng)化，因?yàn)闊崽幚頃䦟?dǎo)致材料的伸長率急劇下降，從而影響材料的整體力學(xué)性能。
微量合金元素的加入也有助于改善材料的力學(xué)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(qiáng)度提高了40 MPa，有效地促進(jìn)了精細(xì)化Al3Er、Al3Zr和Al3(Zr, Er)相的形成。在5xxx鋁合金中加入Sc并進(jìn)行回火熱處理，也可獲得很好的強(qiáng)化效果和較高的屈服強(qiáng)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(qiáng)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(yè)上的廣泛應(yīng)用。此外，Al3Sc顆粒難以在熔池內(nèi)均勻分布。近年來一些開創(chuàng)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(jìn)一步調(diào)節(jié)顯微組織。因此，迫切需要開發(fā)一種低成本、工藝簡單、易于實(shí)施的提高5xxx鋁合金強(qiáng)度的替代技術(shù)。通過在鋁基合金中加入纖維或顆粒形成金屬基復(fù)合材料，也是提高材料力學(xué)性能的重要方法。連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基體可以顯著提高材料沿纖維方向的強(qiáng)度，但主要可以通過擠壓鑄造工藝制備簡單成型件。引入強(qiáng)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(jié)果表明，鋁合金的硬度和強(qiáng)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(qiáng)度和延性需要提上日程。
增材制造技術(shù)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(chǔ)上，本文對提高增材制造鋁合金的材料強(qiáng)度進(jìn)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(dǎo)致吸收效率低，過程不穩(wěn)定。因此，大多數(shù)不可焊接的高強(qiáng)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(xiàn)裂紋缺陷。定向能沉積電弧制造技術(shù)(DED-arc)作為一種新興技術(shù)，因其成形效率高、成本低而可應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。這種先進(jìn)的技術(shù)引起了極大的關(guān)注，促進(jìn)了其快速發(fā)展，尤其是鋁合金。5xxx系列鋁合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性和可焊性等特點(diǎn)，使其適合于DED-arc的候選材料。特別是基于冷金屬轉(zhuǎn)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(shù)也存在一些缺點(diǎn)，如強(qiáng)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(diǎn)放在降低孔隙率上，如采用工藝優(yōu)化和輔助工藝。結(jié)果表明，經(jīng)層間軋制[33]可顯著改善DED-arc制備的鋁合金構(gòu)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(dá)到提高機(jī)械強(qiáng)度的有利效果。通過工藝優(yōu)化或?qū)娱g變形，DED-arc制備的材料機(jī)械強(qiáng)度基本能滿足板材的標(biāo)準(zhǔn)要求，但難以獲得更優(yōu)越的性能。
在此，西安交通大學(xué)、方學(xué)偉團(tuán)隊(duì)采用基于CMT的絲弧增材制造技術(shù)制備了鈦纖維增強(qiáng)鋁合金(TFRA)構(gòu)件,對TFRA構(gòu)件的拉伸和沖擊性能進(jìn)行了表征，并與非增強(qiáng)構(gòu)件進(jìn)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(qiáng)體的微觀結(jié)構(gòu)及界面進(jìn)行了詳細(xì)研究。最后，利用掃描電鏡進(jìn)行了斷口形貌分析，并對TFRA組分的強(qiáng)化增韌機(jī)理進(jìn)行了評價。相關(guān)研究成果以題“Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy”發(fā)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(qiáng)添加劑工藝原理示意圖;(b)電弧雙線纖維增強(qiáng)添加劑裝置實(shí)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(jié)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(yàn)樣品。
圖片
有限元模型和邊界條件。
圖4 金相組織機(jī)理圖。
(a)宏觀形貌;(b)纖維增強(qiáng)鈦合金絲材與鋁合金基板的圍合形態(tài);(c)線材中晶粒微觀結(jié)構(gòu)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(cè)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(qū)域細(xì)節(jié);圖5(c)、(f)、(i)為各區(qū)域元素組成的線掃描圖。
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