江西理工大学：增材制造7系铝合金的直接时效热处理及疲劳裂纹扩展行为
2023-05-06 17:08:18
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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激光粉末床熔融(LPBF)是近年发展起来的一种增材制造(AM)技术，通过使用激光束选区熔化连续的粉末层，能够制备具有复杂结构的部件。LPBF技术具有很多优点，诸如具有不需要模具，材料利用率高，生产所用周期短等优点。然而，Al-Zn-Mg-Cu合金熔化流动性差、反射率及热导率高使得其在LPBF加工过程中极易形成高孔隙率和裂纹，影响打印件的性能。日前，来自江西理工大学研究人员研究了不同直接时效温度和时效时间对LPBF制备的Si-Zr-Er改性Al-Zn-Mg-Cu合金的显微组织、力学性能和耐蚀性的影响。研究结果表明打印态和直接时效处理态合金中形成了双峰晶粒结构，由熔池边界处的细小等轴晶粒和熔池中的粗大柱状晶粒组成。通过直接时效处理可以改善合金的力学性能，最高抗拉强度达到465MPa。析出的Mg2Si和Al3(Er,Zr)对提高力学性能起着重要作用。大角度晶界和析出相对于评估合金的耐腐蚀性具有重要作用。相关工作以“Effect of direct aging treatment on microstructure, mechanical and corrosion properties of a Si-Zr-Er modified Al-Zn-Mg-Cu alloy prepared by selective laser melting technology”为题发表在《Materials Characterization》上。李声慈副教授为论文通讯作者，硕士生张志骞为论文第一作者。https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112459
图1:不同工艺下的SEM形貌(a)打印态;(b)图a中白色方框局部放大图;(c)150℃×2h;(d)图c中白色方框局部放大图;(e)150℃×4h;(f)图e中白色方框局部放大图;(g)150℃×14h;(h)图g中白色方框局部放大图;(i)120℃×4h;(j)图i中白色方框局部放大图;(k)240℃×4h;(l)图k中白色方框局部放大图
图2:不同样品的TEM图像：(a, e)打印态；(b, f)150℃×2h；(c, g)150℃×4h；(d，h)150℃×14h；(i)150℃×2h、(j)150℃×4h的EDS面扫谱图。
此外，研究团队探讨了LPBF制备合金的疲劳裂纹扩展行为机理。研究结果表明，熔池边界对裂纹扩展路径无明显影响，晶粒取向、晶界、夹杂物会显著影响疲劳裂纹的扩展路径。裂纹尖端附近累积的位错会与第二相结合，阻碍疲劳裂纹的扩展。疲劳裂纹扩展存在穿晶和沿晶两种模式，当裂纹遇到高取向的晶粒时，容易发生偏转。应力比r越小或最大载荷Pmax越大，疲劳裂纹扩展速率更大，疲劳寿命越短。相关工作以“Microstructure, mechanical properties and fatigue crack growth behavior of an Al-Zn-Mg-Cu-Si-Zr-Er alloy fabricated by laser powder bed fusion”发表在《International Journal of Fatigue》上。李声慈副教授和Olanrewaju A. Ojo教授为论文通讯作者，李德华为论文第一作者。https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.107636
图4 (a) (b) Line1和(c) Line2的EDS线扫描路径及对应结果；(d)胞状结构形态；(e-k) (d)元素分布图
图5 (a) OM和(b) SEM拍摄的疲劳裂纹扩展路径；(c) (b)中区域1的放大；(d) (b)中区域2的放大和相应的EDS结果；(e) (b)中区域3的扩大；(f) (b)中区域4的放大和相应EDS结果(wt.%)；(g) (b)中区域5的放大
图6 (a) SEM和(b) EBSD的裂纹扩展路径；(c) (b)中直线A的点对原点(累积)取向差和点对点(局部)取向差图
图7 (a)裂纹长度与疲劳循环(a-N)曲线；(b)不同试样的的FCG速率比较；(c)疲劳裂纹扩展试验后试样的形貌
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