西交大顶刊丨优于锻造！增材制造铝合金力学性能和热稳定性的热处理调控机制

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近日，西安交通大学机械工程学院机械制造系统工程国家重点实验室的黄科教授团队在国际知名顶刊《Materials & Design》上发表最新研究成果“Tailoring the mechanical properties and thermal stability of additive manufactured micro-alloyed Al-Cu alloy via multi-stage heat treatment”，设计了一种新型Sc/Zr/Ti/Er改性2219铝合金，然后通过线弧定向能量沉积(DED)制造壁形部件。

论文采用线弧定向能量沉积技术成功制备了一种新型Sc/Zr/Ti/Er改性Al-Cu合金，由于初生Al3X弥散体引起的异质形核，获得了细小的等轴晶结构；均质化预制了更多的Al3X弥散体，促进了从θ″到θ′沉淀的转变；均质化使现有的孔隙成熟，从而产生更好的拉伸各向同性。

Graphical abstract

在该研究中，由于初生Al3X弥散体促进了异质形核，沉积态合金呈现出高度等轴的细晶粒结构。进行了两种热处理方案来调整合金的强度和热稳定性。与经典T6热处理相比，T6热处理前额外的均匀化步骤（HT6）预制了更多的Al3X弥散体，间接促进了θ”析出物向θ′析出物的转变，导致强度略有下降。然而，这种均质化步骤有助于通过促进孔隙成熟来避免孔隙聚集，并显着减轻延展性的各向异性。此外，HT6热处理合金更好的热稳定性是由于热暴露过程中Sc和Mn在θ'/Al界面上的偏析导致更多的Al3X弥散体和更细小的θ'析出物，且具有高抗粗化能力。总体而言，线弧DED微合金化2219铝合金在热处理后表现出良好的强度和延展性，其机械性能优于锻造微合金化Al-Cu合金。

图 1. (a) 线弧 DED 装置的总体视图；(b) 沉积状态的墙构件和取样位置；(c) 拉伸样品的尺寸和 (d) 热处理方案的示意图

图2 线弧DED MA2219铝合金的偏振光光学显微组织和光学观察孔：（a1，a2）AD（沉积）样品；(b1，b2)T6（540固溶1h，水淬至室温）样品；(c1, c2) HT6 （固溶后190人工时效6h，空冷至室温）样本

图 3. AD、T6 和 HT6 样品的晶粒尺寸分布

在该研究中，采用线弧DED设计并制造了一种新型Sc/Zr/Ti/Er改性2219铝合金，该合金具有出色的强度和延展性。基于多尺度显微组织观察、室温拉伸试验和热暴露试验，评价了热处理方案对MA2219铝合金晶粒结构、气孔缺陷、析出相、力学性能和耐热性能的影响。主要结论总结如下：

(1) 微合金元素的添加通过在凝固过程中形成初生Al3X弥散体促进α-Al的异质形核，从而显着细化AD组分的晶粒结构。经过T6和HT6热处理后，仍保持细小的等轴晶。

(2) 热处理过程中孔隙的演化主要受奥斯特瓦尔德熟化和次生孔隙形成的影响。T6样品以层间边界区域次生孔隙形成为主，局部孔隙聚集严重。而对于HT6样品，均质化步骤使现有的孤立孔隙成熟，导致均匀的空间分布和尺寸增加。

(3) 经过T6和HT6热处理后，合金中的主要析出物为θ″和θ′。均质化处理预制了更多的Al3X弥散体，导致θ″优先析出，并在时效处理过程中随后转变为θ′。定量估计了不同类型的析出物和晶界的强化贡献。

(4) T6-H样品的YS、UTS和EL分别为301.7±4.7MPa、456.0±3.4MPa和19.6±1.1%，优于大多数热处理强化的微合金化Al-Cu合金。在相同的处理下，由于细小的等轴晶而获得了各向同性的强度。在伸长率方面，除了T6-V样品由于聚集孔隙导致早期断裂而只有10.7±1.0%外，所有样品均表现出优异的延展性。

(5) HT6样品的热稳定性优于T6样品，这主要是由于耐热Al3X弥散体密度较高和θ'析出相更细。HT6样品中θ′析出相较好的稳定性可能主要是由于热暴露过程中θ′/α-Al界面上Sc和Mn元素的偏析以及Cu原子在α-Al基体中扩散的难度增加所致测试。

Zhou Y, Chang T, Fang X, et al. Tailoring the mechanical properties and thermal stability of additive manufactured micro-alloyed Al-Cu alloy via multi-stage heat treatment[J]. Materials & Design, 2023: 112287.

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112287

来源：增材制造硕博联盟