中南大学李瑞迪教授团队丨激光定向能量沉积铝合金的组织和力学性能

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研究背景及目的

激光定向能量沉积（DED）是一种典型的激光增材制造技术，适合于成形大尺寸结构件和修复再制造。含Sc铝合金已广泛应用于航空航天、轨道交通等领域。但DED成形铝合金面临氧化、热裂、往复热循环晶粒粗化等问题，力学性能有待进一步优化提升。本研究旨在揭示定向能量沉积DED成形Al-Mg-Sc-Zr合金过程中激光功率对合金性能和组织缺陷的影响。

论文亮点

1)DED成形Al-Mg-Sc-Zr合金中未发现明显的柱状晶，晶粒基本呈等轴状。

2)DED成形Al-Mg-Sc-Zr合金的织构指数和强度均略大于1，呈现出一定的各向异性。

3)DED试样水平方向抗拉强度399.87 MPa，屈服强度220.96 MPa，延伸率9.13%。

图1 激光定向能量沉积铝合金

图2 DED沉积铝合金的EBSD图: (a) (d) <XOY>, (b) (e) <YOZ>, (c) (f) <XOZ>

试验方法

1)3D打印成形：采用定向能量沉积技术（DED），利用南京中科煜晨送粉增材制造设备成形了Al-Mg-Sc-Zr合金。

2)工艺参数优化：对不同激光功率下成形的试验进行显微组织表征与力学性能测试。

3)显微组织：用光学显微镜、扫描电镜观察样品的显微组织，对粉末和试样进行物相分析，分析样品熔池表面的化学元素，观察试样取向分布。

4)力学性能：通过美国 Instron 3369 型万能力学试验机进行室温拉伸测试。

研究结果

激光功率为1600W时试样力学性能最佳，抗拉强度为400.63 MPa，伸长率为11.8%。不同激光功率下拉伸性能的变化与密度、孔隙率的变化具有良好的对应关系。粉末和DED成形样品中存在ɑ-Al和Al3(Sc,Zr)相，成形试样的衍射峰略微向左偏移。Al3(Sc,Zr)粒子主要以片状初生相存在，由于DED循环热处理，少量点状Al3(Sc,Zr)二次相析出。通过元素分布图观察到Si、Mn分布均匀，Al、Sc、Zr富集于熔池边界，且分布位置基本一致。此外，晶粒几乎完全以等轴晶的形式存在，<XOY>、<YOZ>和<XOZ>平面晶粒的平均尺寸分别为12.43 μm、12.83 μm和10.65 μm。样品的织构指数和强度值均略大于1。<XOY>、< XOZ>和< YOZ>截面试样的抗拉强度分别为399.87 MPa、397.45 MPa和385.40 MPa；屈服强度分别为220.96 MPa、238.00 MPa和219.40 MPa；延伸率分别为9.13%、7.44%、8.24%。

结论

(1) DED成形样品中存在ɑ-Al和Al3(Sc,Zr)相。与粉末相比，试样衍射峰略微向左移动。样品中析出大量块状Al3(Sc,Zr)相(<5μm)和少量颗粒状Al3(Sc,Zr)相(<0.5μm)；Al3(Sc,Zr)析出相沿熔池边界排列。

(2)DED成形试样中晶粒基本为等轴晶，晶粒取向随机，合金呈现一定的的各向异性但不明显。

(3)优化了DED成形Al-Mg-Sc-Zr的参数，发现激光1600 W有利于样品性能。水平方向的试样力学性能更好，冶金结合显著，晶粒尺寸均匀，析出相分散。

前景与应用

定向能量沉积增材制造成形效率高，能够满足成形大尺寸铝合金部件的要求，同时能有效修复受损零件从而增长零件服役时间，极大地降低生产成本，在航空航天、模具、汽车制造等领域具有广泛应用前景。

引用格式：

Qian Hua, Wenjun Wang, Ruidi Li, Hongbin Zhu, Zehuan Lin, Rong Xu, Tiechui Yuan, Kai Liu. Microstructures and Mechanical Properties of Al-Mg-Sc-Zr Alloy Additively Manufactured by Laser Direct Energy Deposition. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, 1(4).

下载链接：

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100057

团队带头人介绍

李瑞迪，中南大学教授、博导。主持国家自然科学基金联合重点项目、面上项目、青年基金，中船重工、中车工业等科研项目。在Acta Materialia, Scripta Materialia, Metall Mater Trans A, Mater Sci Eng A, Adv Funct Mater等期刊发表SCI论文70余篇，其中ESI高被引5篇、ESI热点论文1篇，获授权发明专利20件。兼任中国机械工程学会增材制造技术分会委员、中国光学学会激光加工专业委员会委员、中国机械工程学会极端制造分会委员、全国钢标标准化委员会增材制造工作组委员。兼任《Advanced Powder Materials》编委、《粉末冶金材料科学与工程》编委、《粉末冶金工业》编委、《精密成型工程》编委、《轨道交通材料》编委、《中国激光》“前沿激光制造”子刊青年编委。担任《Journal of Central South University》“粉末冶金与增材制造”专刊客座主编、《中南大学学报（自然科学版）》“粉末冶金”专刊客座编辑。入选教育部高层次人才青年项目，湖南省科技创新领军人才，湖南省杰出青年科学基金。获中国有色金属青年科技奖，湖南省自然科学二等奖（排1）。

团队研究方向

主要研究方向：增材制造粉体材料研发及在结构件成形中应用。

近年团队发表文章

[1] LI R, WANG M, LI Z, et al. Developing a high-strength Al-Mg-Si-Sc-Zr alloy for selective laser melting: Crack-inhibiting and multiple strengthening mechanisms [J]. Acta Mater 2020, 193: 83-98.

[2] Fan Z, Yin Y, Tan Q, Li X, Niu P, Li R, Yuan T, Zhang M-X, Huang H. Unveiling solidification mode transition and crystallographic characteristics in laser 3D-printed Al2O3-ZrO2 eutectic ceramics. Scripta Mater 2022; 210: 114433.

[3] Wang M, Li R, Yuan T, Kang J, Niu P, Zheng D, Fan Z. The evolution of quasicrystal during additive manufacturing and aging treatment of a Si-modified Al–Mn-Sc alloy. Materials Science and Engineering: A 2022; 859: 144206.

[4] Xu R, Li R, Yuan T, Zhu H, Wang M, Li J, Zhang W, Cao P. Laser powder bed fusion of Al–Mg–Zr alloy: Microstructure, mechanical properties and dynamic precipitation. Materials Science and Engineering: A 2022; 859:144181.

[5] Wang Y, Li R, Yuan T, Zou L, Wang M, Yang H. Microstructure and mechanical properties of Al-Fe-Sc-Zr alloy additively manufactured by selective laser melting. Mater Charact 2021; 180: 111397.

来源：机械工程学报