北理工增材顶刊：屈服提高200%，延伸率提高460%！通过控制增材凝固缺陷大幅Al-Li合金性能！

2021-05-17 11:22:05 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文发现在AA2196铝锂合金的WAAM过程中，在树枝状晶间的液体中可能会形成大孔隙链。经过T6热处理后，这些孔隙链实际上比沉积时的状态长大，超过50 µm的微孔尺寸从2.8％增加到5.8％，最大尺寸增长到107 ?m。结合42％的热变形和T6热处理，封闭了微孔以及可以实现纳米级T1沉淀，屈服拉伸强度（YTS）可以提高199％，极限拉伸强度（UTS）可以提高168％，延伸率可以提高460％，分别达到372 MPa、439 MPa和6.9％。因此，可以通过施加适当的热变形来消除WAAM过程中的凝固缺陷，这对于具有长凝固范围和高凝固裂纹敏感性的Al-Li合金非常有用。

Al-Li合金已获得了广泛的关注的最关键的轻质结构材料，由于低密度和高的比强度和刚度广泛用于航空航天工业中。作为一种新型的铝锂合金，AA2196 Al-Li合金具有包括高模量和高比强度以及出色的抗损伤性在内的优异性。随着航空航天制造业的发展，对诸如复杂几何形状的铝结构部件提出了很高的要求。增材制造具有解决这些问题的优势。

作为增材制造家族的一员，电弧增材制造（WAAM）以其高沉积速率和设计灵活性而著称。WAAM通常使用惰性气体保护电弧焊工艺。到目前为止，WAAM生产了一系列铝合金，包括Al–Cu合金（2xxx），Al–Mg–Si合金（6xxx）和Al–Zn合金（7xxx）。以前的文献表明，孔隙率是WAAM处理的铝合金的主要冶金缺陷，这牺牲了它们的机械性能。不幸的是，尚无关于TS对微孔缺陷的影响的系统研究。没有提供消除WAAM制造的冶金缺陷的解决方案。

目前，微孔对机械性能的不利影响限制了WAAM铝合金的应用。微孔对Al-Li合金强度和韧性的不利影响使其成为主要缺陷之一。铝合金是在WAAM更容易发生微孔制造过程中，由于氢的溶解度在液铝是约在高温下比的固体铝的氢溶解度大20倍。WAAM生产的铝锂合金比其他铝合金具有更大的微孔可能性，这是因为锂与金属丝表面的水分发生反应，并且在高温下氢原子吸收进入液池。AA2196 Al-Li合金的Li含量为1.4-2.1％（重量），在高温下与大气有很好的反应性。此外，如果大气不受Ar气体保护，锂的表面氧化会继续将氢吸收到熔池中，从而导致液体中氢过饱和。通常，沉积铝合金的机械性能低于普通加工铝合金的机械性能。，并且微孔缺陷的存在严重降低了合金的机械性能。因此，了解和分析WAAM过程中微孔的空间分布，热处理后微孔的演变特征以及抑制微孔的方法对于提高铝锂合金的力学性能具有重要意义。

在此，北京理工大学王俊升教授研究了使用WAAM技术制造的AA2196 Al-Li合金的微孔缺陷。讨论了热变形和热处理对WAAM AA2196 Al-Li合金微孔缺陷的影响。对样品的微孔形态和分布以及力学性能进行了表征和分析。此外，提出了一种减少WAAM Al-Li合金微孔率并促进析出强化的方法，这对提高WAAM AA2196合金的力学性能具有重要意义。相关研究成果以题“Improving mechanical properties of wire arc additively manufactured AA2196 Al–Li alloy by controlling solidification defects”发表在金属顶刊Additive Manufacturing上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102019

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与传统的铸造制造工艺相比，由于WAAM过程中的冷却速度快，WAAM合金的晶粒尺寸小于100 µm，而不是传统的铸造工艺的100 µm以上。使用峰值时效热处理，可以获得90nm至160nm范围内的纳米级T 1沉淀物。此外，还有少量的θ‘和富Ag的Ω强化相。

图1。（a）WAAM沉积设置。（b）沉积的AA2196 Al-Li合金的四壁。（c）AA2196 Al-Li合金的沉积壁。（d）用于拉伸测试的狗骨样品的尺寸。

图2。（a）铝锂合金的屈服拉伸强度和泊松比随温度的变化；（b）Al-Li合金的密度和比热随温度的变化。

图3。WAAM处理的2196 Al-Li合金的微观结构分布：（a）晶粒尺寸表征，和（b）晶粒尺寸分布。

图4。AA2196 Al-Li合金的SEM图像，包括：（a）沉积的；（b）T6热处理；（c）23％的热变形+ T6热处理；（d）42％的热变形+ T6热处理。

由于氢的高度过饱和，WAAM Al-Li零件也具有大量的微孔，其尺寸聚集在10–30 ?m，其中一些可能达到100 ?m。观察到那些微孔沿着融合路径排列，与在主体区域内的那些相比，在中间沉积层处具有更高的密度和更大的尺寸。如果没有热变形，则随后的T6热处理实际上会加剧这种情况，而不是通过增大孔隙大小来迁移不良的机械性能。我们发现42％的热变形和T6热处理可以有效地封闭孔隙，并将其中的大多数降低到30 ?m以下，从而有效地消除了裂纹的萌生部位。

图5。XCT在不同条件下使用AA2196 Al-Li合金中的XCT对3D（a，b，c，d）和2D（e，f，g，h）中的微孔进行了表征：（b，f）T6；（c，g）23％热变形+? T6热处理；（d，h）42％热变形+ T6热处理。

图6。在不同条件下，AA2196 Al-Li合金中微孔的等效直径分布频率：（a）WAAM ；（b）T6；（c）23％的热变形+? T6热处理；（d）42％热变形+ T6热处理。

通过X射线计算机断层扫描（XCT）表征和有限元方法（FEM）模拟，我们发现了微孔封闭的机理。正是压缩应力和对拉应力的精心控制才能使孔隙率降至最低。如果这两个压力没有得到很好的控制（例如降低23％会发生什么情况），则将促进微孔增长而不是封闭微孔。因此，通过42％的热变形然后进行T6热处理，我们成功地获得了最佳性能，获得了439 MPa的UTS和6.9％的伸长率，远远超过了260 MPa时没有热变形的情况和0.9%时没有热变形的情况。