激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr铝合金各向组织与损伤容限性能

|3DScienceValley· 2024/04/08

谷专栏

以下文章来源于航空材料学报，作者冯振宇

【研究背景】

增材制造通过材料逐层累加的方式制造实体零件，可实现复杂结构零件的成形。增材制造过程中易形成匙孔、气孔和未熔合缺陷等，导致增材制造材料疲劳性能呈现出较大的分散性和明显的各向异性。疲劳性能是制约增材制造应用于航空关键结构件的瓶颈。

铝合金具有高比强度和耐大气腐蚀等优点，在航空航天领域具有重要应用价值。由于铝合金粉末存在反射率高、流动性差和导热率高等特点，目前激光选区熔化（SLM）增材制造技术成形铝合金主要集中在Al-Si（-Mg）合金，其工艺较为成熟，但力学性能较差。近年来，研发增材制造高强铝合金备受关注，主要包括2×××（Al-Cu系）铝合金、5×××（Al-Mg系）铝合金和7×××（Al-Zn系）铝合金。

激光选区熔化增材制造成形材料的显微组织和缺陷对成形材料的宏观力学性能有显著影响，而成形工艺参数、热处理工艺等均会直接影响显微组织和缺陷。铝合金在增材制造过程中易形成匙孔、气孔和未熔合缺陷等，从而降低材料的致密度，损害其性能。

【主要创新点】

中国民航大学等机构的研究人员采用激光选区熔化（SLM）增材制造技术制备不同取向的Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金静拉伸和紧凑拉伸（CT）试样，通过实验获得拉伸性能和损伤容限性能（包括裂纹扩展速率、平面应变断裂韧度），采用金相显微镜（OM）以及扫描电镜（SEM）观察显微组织与断口形貌，研究激光选区熔化增材制造成形Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金材料的各向显微组织特征和损伤容限性能，揭示取样角度对其影响机制。

相关论文以《激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金各向组织与损伤容限性能》为题，发表在《航空材料学报》。

▲论文链接：

https://jam.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000096

主要研究成果

1.显微组织

YZ截面上呈现出典型的鱼鳞状堆叠的熔池形貌，XY截面上则观察到以67°夹角交错的熔道形貌。从OM图中可以观察到缺陷的存在，YZ截面主要为尺寸较小、形状较规则的孔隙缺陷，XY截面除孔隙缺陷外，还可观察到尺寸较大、形状不规则的未熔合缺陷，如图1所示。

图1 SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金的OM图（a）YZ截面；（b）XY截面

YZ面截面为典型的细小等轴晶和粗大的柱状晶组成的双峰组织（图2），还可以观察到明显的熔道形貌。熔池内部为沿沉积方向生长的柱状晶，其最大晶粒等效直径达15.28 μm，熔池边界则为众多亚微米级的等轴晶。XY面几乎全部由细小的等轴晶组成。

图2 SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金的EBSD结果（a）YZ截面的EBSD IPF；（b）XY截面 EBSD IPF；（c）YZ截面的晶粒尺寸分布；（d）XY截面晶粒尺寸分布

2. 断裂韧度

0°试样KIC为（21.41±0.19）MPa·m1/2，90°试样KIC为（20.89±0.31）MPa·m1/2，90°方向低2.4%。0°试样断口表面由韧窝组成，表明断裂属于韧窝型塑性断裂。裂纹沿大角度晶界扩展，所以在大韧窝之间可以观察到小韧窝。90°试样断口除了典型韧窝外，还可观察到明显的类解理面，沿柱状晶晶界断裂，如图3所示。

图3 SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金断裂韧度实验CT试样断口SEM形貌图（a）0°试样；（b）90°试样

3.裂纹扩展速率

裂纹扩展速率曲线分为典型的近门槛区、稳态扩展区和快速扩展区3个阶段。在近门槛区裂纹扩展速率波动较大，这是由于疲劳性能对于缺陷的敏感性更高。随着裂纹扩展，缺陷对疲劳性能影响减弱，裂纹扩展速率趋于稳定，在双对数坐标下呈典型的线性关系。在近门槛区域0°试样裂纹扩展速率较快，而在稳态扩展区90°试样裂纹扩展速率较快，如图4所示。

图4 0°和90°CT试样的疲劳裂纹扩展速率曲线（R=0.1）

对断口形貌进行宏观和微观分析。从图5可以观察到0°试样的稳态扩展区有明显相互交叉的凹槽，这是由于采用交叉扫描策略造成的。与0°试样相比，90°试样的Paris区域更为粗糙。0°试样裂纹面呈穿晶断裂特征，90°试样裂纹面沿柱状晶晶界扩展，断口呈河流花样。此外可以发现，0°试样裂纹面中具有较大的未熔合缺陷，90°试样裂纹面中主要为尺寸较小的气孔缺陷，如图6所示。

图5 CT试样宏观断口（a）0°试样；（b）90°试样；（1）瞬断区；（2）Paris区；（3）近门槛值区

图6 SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金CT试样断口SEM形貌图（a）0°试样；（b）90°试样；（1）近门槛区；（2）稳态扩展区

结论

（1）SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金YZ截面上呈现出典型的鱼鳞状堆叠的熔池形貌，XY截面上则观察到以67°夹角交错的熔道形貌。YZ截面为细小的等轴晶和粗大的柱状晶组成的双峰组织，XY截面由细小的等轴晶组成。
（2）SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金0°和90°CT试样主要为韧窝型塑性断裂，各向异性并不显著。90°试样断口还可观察到小部分的类解理面，沿柱状晶晶界断裂，裂纹扩展阻抗低，导致KIC稍小。
（3）显微组织和缺陷是影响裂纹扩展性能各向异性的主要因素。在近门槛区未熔合缺陷起主导作用，使得0°CT试样裂纹扩展更快；在稳态扩展区显微组织的影响起主导作用，0°CT试样裂纹扩展为穿晶断裂，裂纹扩展阻抗较高，裂纹扩展速率低于90°试样。

原论文出处：

激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金各向组织与损伤容限性能

冯振宇, 陈翥仪, 张雪峰, 夏晓宇, 邹君

2024, 44(1): 143-151.

DOI:10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000096