哈工大顶刊丨双尺寸TiC颗粒对电弧增材制造Al-Cu合金延展性和强度的协同增强机制

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文章摘要

哈尔滨工业大学先进焊接国家重点实验室在Composites Part B期刊上发表了关于电弧增材制造技术（WAAM）制造2219 Al-Cu合金的研究。该研究针对WAAM制备的Al-Cu合金中存在的晶界偏析和孔隙缺陷问题，提出了一种创新的解决方法。通过在沉积层表面涂覆含有酒精和TiC颗粒的涂料，成功地将TiC颗粒添加到沉积样品中，从而改善了合金的韧性和强度。研究发现，添加纳米和微米级TiC颗粒可以细化晶粒、促进晶内位错的塑性变形，并提高合金的延展性。与未添加TiC的样品相比，添加TiC的样品在抗拉强度和延伸率上分别提高了51.0%和118%。这项研究为高韧性高强度铝-铜合金的制造提供了一种新的有效方法。

正文

近年来，电弧增材制造技术(WAAM)作为一种快速、高效制造铝铜合金部件的合适技术应运而生，并已应用于制造各种大型结构部件。然而，长期存在的挑战例如，消除晶界偏析和孔隙缺陷构成了waam制造的Al-Cu组件工业应用的瓶颈，这些瓶颈到目前为止还没有完全解决。此外，研究表明，通过优化工艺参数很难解决WAAM打印2219 Al-Cu零件中溶质偏析和柱状晶粒缺陷的相关问题。

基于此，哈尔滨工业大学先进焊接国家重点实验室在知名顶级期刊Composites Part B上发表题目为“Contribution made by double-sized TiC particles addition to the ductility–strength synergy in wire and arc additively manufactured Al–Cu alloys” 的研究论文，针对WAAM制备的2219 Al-Cu合金强度低的问题，许多研究者提出采用逐层锤击或轧制等方法来提高性能。研究通过在沉积层表面涂覆含有酒精和TiC颗粒的涂料，成功地将TiC颗粒添加到沉积样品中 (这是开创性成果)，在使用新型激光-惰性气体混合增材制造技术制备的Al-Cu合金的表征和分析时，旨在通过调查这些复合材料的显微组织演变、凝固动力学和析出物演变，寻找出一种具有改善韧性和强度的复合材料。此论文提到的方法为高韧性高强度铝-铜合金制造提供了一种有效而全新的选择。

图1所示，照片和示意图显示:(a) WAAM装置，(b)颗粒喷涂结果，(c)沉积样品的形貌，(d)拉伸样品的尺寸

图2所示，TiC颗粒的形貌和尺寸分布。微米级TiC颗粒的SEM图像和分布曲线分别如图(a)和(a1)所示。对应的(b)和(b1)为纳米级颗粒的TEM图像和尺寸分布曲线

图3所示，不同质量分数MNDS-TiCps沉积样品的OM图像(反向极图彩色)取向角分布和晶粒尺寸分布: (a) - (a2) 0.3 wt% MNDS-TiCps， (b) - (b2) 0.6 wt% MNDS-TiCps， (c) - (c2) 0.9 wt% MNDS-TiCps， (d) - (d2) 1.2 wt% MNDSTiCps。关键词:CG -柱状晶粒，CEG -粗等轴晶粒，FEG -细等轴晶粒

图4所示，取向偏差角随MNDS-TiCps质量分数的变化曲线

图5 不同质量分数MNDS-TiCps沉积试样的截面显微结构图:(a) - (a2)不含TiCps， (b) - (b2) 0.3 wt% MNDS-TiCps， (c) - (c2) 0.9 wt% MNDS-TiCps。(a) - (c)中白色箭头所圈定区域的元素分布结果分别显示在(d) - (f)中。最后，(c) - (c2)中蓝、黄、红十字对应的EDS结果分别表示在(g) - (i)中

图6所示，不含TiC沉积试样的Al基体和晶界图像:(a)晶界的亮场TEM图像，(b) (a)所示绿色区域的电子衍射图，(c)晶界的HRTEM图像，(d) (c)所示晶界区域的IFFT图像，(e)相为θ″-Al2Cu的粒子的亮场图像，(f)所示(e)所示粒子的电子衍射图

图7所示，用0.9 wt%的MNDS-TiCps沉积试样的Al基体和晶界图像。上排为晶界和Al基体的亮场TEM图像，(c) θ″-Al2Cu相颗粒，(e)纳米tic颗粒。第二行是电子衍射图(b)、(d)和(f)，分别对应于(a)、(c)和(e)中的图像。最后一行为:(g)晶界的HRTEM图像，(h) (g)晶界区域的FFT图像，(i) (g)晶界区域的IFFT图像

图8所示，0.9 wt% MNDS-TiCps沉积样品的晶界附近θ′-Al2Cu颗粒图像:(a)亮场TEM图像，(b) (a)中绿色区域的电子衍射图，(c) θ′-Al2Cu相与Al基体界面的HRTEM图像

图9所示，添加0.9 wt% MNDS-TiCps的样品中Al基体的进一步图像:(a)和(b)是微米级TiC颗粒的亮场TEM图像;(c)和(d)分别是由(a)中描述的绿色和黄色区域产生的电子衍射图;(e)和(f)分别是(a)中划定的绿色和黄色区域的HRTEM图像;(g)为(e)所示图像的HRTEM图像;和(h)表示(g)中纳米TiC颗粒和沉淀物的IFFT图像

图10所示，图9(a)和(g)中STEM-EDS的图像分别呈现在(a)和(b)中

图11所示，使用不同质量分数的MNDS-TiCps沉积的样品获得二维显微硬度图，即:(a) 0.3 wt%， (b) 0.9 wt%

图12所示，不同质量分数的MNDS-TiCps沉积的2219 Al-Cu试样的力学性能显示:(a)拉伸应力-应变曲线，(b) UTS和EL值

图13所示，TiC颗粒速度和颗粒分布特征:(a)宏观TiC颗粒的Vma-cr与半径图，(a1)突出TiC颗粒分布的SEM图像，(b)介观TiC颗粒的Vmi-cr与半径图，(b1)颗粒内TiC颗粒分布的HRTEM图像

图14所示，沉积样品的晶粒细化和沉淀演化。不含TiC时的行为如图(a)所示。其他图与含有0.9 wt% MNDS-TiCps的样品有关，并突出了(b)内层带和(c)层间带的行为

图15所示，(a)含TiC或不含TiC沉积试样的DSC曲线，(b)相应的二元相图

图16所示，在两个不同的拉伸试样中产生的拉伸断裂的SEM显微照片 (a)和(b)中的图像与0.3 wt% MNDS-TiCps沉积的样品有关，并分别沿着扫描方向和沉积方向给出了样品的总体视图。(a1) - (b2)中的图像分别显示了(a)和(b)中所示图像的细节。(c)和(d)中的图像涉及0.9 wt%的MNDS-TiCps样品(分别沿着扫描方向和沉积方向)。与前面一样，(c1) - (d2)突出显示(c)和(d)中图像的细节