引用論文

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 o f Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, 1(4).

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

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1研究背景及目的

激光定向能量沉積（DED）是一種典型的激光增材制造技術，適合于成形大尺寸結構件和修復再制造。含Sc鋁合金已廣泛應用于航空航天、軌道交通等領域。但DED成形鋁合金面臨氧化、熱裂、往復熱循環晶粒粗化等問題，力學性能有待進一步優化提升。本研究旨在揭示定向能量沉積DED成形Al-Mg-Sc-Zr合金過程中激光功率對合金性能和組織缺陷的影響。

2論文亮點

1)DED成形Al-Mg-Sc-Zr合金中未發現明顯的柱狀晶，晶粒基本呈等軸狀。

2)DED成形 Al-Mg-Sc-Zr合金的織構指數和強度均略大于1，呈現出一定的各向異性。

3)DED試樣水平方向抗拉強度399.87 MPa，屈服強度220.96 MPa，延伸率9.13%。

圖1 激光定向能量沉積鋁合金

圖2 DED沉積鋁合金的EBSD圖: (a) (d) , (b) (e) , (c) (f)

3試驗方法

1)3D打印成形：采用定向能量沉積技術（DED），利用南京中科煜晨送粉增材制造設備成形了Al-Mg-Sc-Zr合金。

2)工藝參數優化：對不同激光功率下成形的試驗進行顯微組織表征與力學性能測試。

3)顯微組織：用光學顯微鏡、掃描電鏡觀察樣品的顯微組織，對粉末和試樣進行物相分析，分析樣品熔池表面的化學元素，觀察試樣取向分布。

4)力學性能：通過美國 Instron 3369 型萬能力學試驗機進行室溫拉伸測試。

4結果

激光功率為1600W時試樣力學性能最佳，抗拉強度為400.63 MPa，伸長率為11.8%。不同激光功率下拉伸性能的變化與密度、孔隙率的變化具有良好的對應關系。粉末和DED成形樣品中存在ɑ-Al和Al3(Sc,Zr)相，成形試樣的衍射峰略微向左偏移。Al3(Sc,Zr)粒子主要以片狀初生相存在，由于DED循環熱處理，少量點狀Al3(Sc,Zr)二次相析出。通過元素分布圖觀察到Si、Mn分布均勻，Al、Sc、Zr富集于熔池邊界，且分布位置基本一致。此外，晶粒幾乎完全以等軸晶的形式存在，、和平面晶粒的平均尺寸分別為12.43 μm、12.83 μm和10.65 μm。樣品的織構指數和強度值均略大于1。、< XOZ>和< YOZ>截面試樣的抗拉強度分別為399.87 MPa、397.45 MPa和385.40 MPa；屈服強度分別為220.96 MPa、238.00 MPa和219.40 MPa；延伸率分別為9.13%、7.44%、8.24%。

5結論

(1) DED成形樣品中存在ɑ-Al和Al3(Sc,Zr)相。與粉末相比，試樣衍射峰略微向左移動。樣品中析出大量塊狀Al3(Sc,Zr)相(<5μm)和少量顆粒狀Al3(Sc,Zr)相(<0.5μm)；Al3(Sc,Zr)析出相沿熔池邊界排列。

(2)DED成形試樣中晶粒基本為等軸晶，晶粒取向隨機，合金呈現一定的的各向異性但不明顯。

(3)優化了DED成形Al-Mg-Sc-Zr的參數，發現激光1600 W有利于樣品性能。水平方向的試樣力學性能更好，冶金結合顯著，晶粒尺寸均勻，析出相分散。

6前景與應用

定向能量沉積增材制造成形效率高，能夠滿足成形大尺寸鋁合金部件的要求，同時能有效修復受損零件從而增長零件服役時間，極大地降低生產成本，在航空航天、模具、汽車制造等領域具有廣泛應用前景。

團隊帶頭人介紹

李瑞迪，中南大學教授、博導。主持國家自然科學基金聯合重點項目、面上項目、青年基金，中船重工、中車工業等科研項目。在Acta Materialia, scripta Materialia, metall Mater Trans A, Mater Sci Eng A, Adv Funct Mater等期刊發表SCI論文70余篇，其中ESI高被引5篇、ESI熱點論文1篇，獲授權發明專利20件。兼任中國機械工程學會增材制造技術分會委員、中國光學學會激光加工專業委員會委員、中國機械工程學會極端制造分會委員、全國鋼標標準化委員會增材制造工作組委員。兼任《Advanced Powder Materials》編委、《粉末冶金材料科學與工程》編委、《粉末冶金工業》編委、《精密成型工程》編委、《軌道交通材料》編委、《中國激光》“前沿激光制造”子刊青年編委。擔任《Journal of Central South University》“粉末冶金與增材制造”專刊客座主編、《中南大學學報（自然科學版）》“粉末冶金”專刊客座編輯。入選教育部高層次人才青年項目，湖南省科技創新領軍人才，湖南省杰出青年科學基金。獲中國有色金屬青年科技獎，湖南省自然科學二等獎（排1）。

團隊研究方向

主要研究方向：增材制造粉體材料研發及在結構件成形中應用。

近年團隊發表文章

[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. doi: 10.1016/j.actamat.2020.03.060.

[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. doi: 10.1016/j.scriptamat.2021.114433.

[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. doi: 10.1016/j.msea.2022.144206.

[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. doi: 10.1016/j.msea.2022.144181.

[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. doi: 10.1016/j.matchar.2021.111397.