《JMST》: 细晶和析出强化，实现电弧增材制造600MPa级超高强铝合金

第一作者：国新米兰体育展望中意大战 士生

通讯作者：李会军教授，倪丁瑞研究员

通讯单位：伍龙贡大学，中科院金属所

DOI:10.1016/j.jmst.2022.12.007

01 全文速览

本研究采用研制的7B55-Sc铝合金丝材，利用冷金属过渡（CMT）电弧增材制造技术（WAAM）成功制备了无裂纹的Al-Zn-Mg-Cu-Sc铝合金构件，经T6热处理后，铝合金样件的抗拉强度达到618 MPa，在WAAM铝合金领域首次突破了600 MPa的强度级别。

02 研究背景

电弧增材制造（WAAM）是以电弧为热源，以丝材为填充材料，按照设定的路径逐层堆积，实现构件短流程、近成形的先进加工技术。它具有熔敷效率和材料利用率高的优点，非常适合于大尺寸金属构件的高效、快速制造。7系超高强度铝合金由于具有高的比强度、良好的耐蚀性和加工性能而广泛用于航空航天领域轻质、高强零部件的加工制造。然而现有的7系铝合金在熔化焊过程中极易产生热裂纹缺陷，被认为是“不可焊”铝合金。使用现有的铝合金丝材进行WAAM，很难获得无裂纹的具有超高强度的铝合金构件。因此，设计优化7系铝合金的化学成分，开发出适用于WAAW的超高强度铝合金专用丝材，已经成为突破大尺寸超高强度铝合金WAAW技术发展亟待解决的关键问题。

03 本文亮点

中科院金属所、澳大利亚伍伦贡大学以及沈阳航空航天大学等单位合作，通过设计优化7系铝合金丝材的化学成分，添加孕育剂Sc、Zr元素，优化熔炼工艺以及采用连续挤压成丝新技术，开发了一种适用于WAAM工艺的新型超高强度Al-Zn-Mg-Cu-Sc铝合金丝材，命名为7B55-Sc，采用CMT工艺成功制备了无裂纹的铝合金构件。经过T6热处理后，WAAM的7B55-Sc铝合金的抗拉强度达到了618 MPa，在WAAM铝合金领域首次突破了600 MPa的强度级别。其强化机理是：凝固时形成的初生微米级的Al3Sc、Al3(Sc,Zr)颗粒在WAAM过程中作为非均质形核核心，促进了细小等轴晶组织的形成；而经T6热处理后，晶内析出大量的与基体保持共格关系的GP区、η′相和Al3(Sc,Zr)颗粒是WAAM 7B55-Sc铝合金具有超高强度的主要原因。研究成果有助于实现航空航天领域大尺寸、超高强度铝合金部件的快速增材制造的需求。相关论文以题为“Microstructure and mechanical properties of 600 MPa grade ultra-high strength aluminum alloy fabricated by wire-arc additive manufacturing”发表在Journal of Materials Science&Technology。

04 图文解析

图1 (a)7B55-Sc铝合金丝材；(b)WAAM系统；(c)无裂纹单道多层铝合金构件

图2 (a)取样位置示意图;(b)拉伸试样尺寸

图3 7B55-Sc合金沉积态和T6热处理后不同截面的金相组织：(a,b)沉积态下的YOZ和XOZ截面的金相组织；(c,d)T6热处理状态下的YOZ和XOZ截面的金相组织

图4 7B55-Sc合金沉积态和T6热处理后的EBSD分析结果：(a,b,c,d)沉积样品和(e,f,g,h)T6热处理样品的EBSD IPF图、晶粒大小分布、晶界角分布和极图

图5 WAAM过程中等轴晶形成机理示意图

图6 7B55-Sc合金沉积态和T6热处理之后的BSE图像和点扫描结果:(a)沉积状态(b)T6热处理状态

图7 7B55-Sc合金沉积态和T6热处理后的XRD图

图8 7B55-Sc合金沉积态下晶内析出第二相的STEM结果：(a)7B55-Sc合金沉积态下晶内STEM图像；(b)η′相的HAADF-STEM图像和EDS图；(c，d)区域A的放大图和η′相的FFT；(e)ηMg(Zn,Cu,Al)2相和T相的HAADF-STEM图像和EDS图；(f,g)区域B的放大图和ηMg(Zn,Cu,Al)2相的FFT；(h,i)区域C的放大图和T相的FFT

图9 7B55-Sc在T6热处理后晶内析出第二相的STEM结果：(a)7B55-Sc合金在T6热处理后晶内STEM图像；(b)T6热处理之后的η′相，GP区和次生Al3(Sc,Zr)的HAADF-STEM图像和EDS图；(c,d)区域D的放大图和次生Al3(Sc,Zr)的FFT；(e)次生Al3(Sc,Zr)的壳核结构

图10 7B55-Sc合金在沉积态和T6热处理条件下的拉伸性能：(a)7B55-Sc合金在水平和垂直方向的工程应力-应变曲线；(b)拉伸试验结果统计

图11 WAAM增材制造不同铝合金的强度和伸长率对比

图12 7B55-Sc合金沉积态和T6热处理的断口形貌：(a)沉积状态下的水平和(b)竖直方向的断口形貌(c)T6热处理状态下的水平和(d)竖直断口形貌

05 结论展望

(1)7B55-Sc合金在沉积态和T6热处理条件下的微观组织均是由细小的等轴晶组成，T6热处理后晶粒无粗化现象，平均晶粒尺寸约为6.0μm。

(2)沉积态条件下，初生的Al3(Sc,Zr)颗粒在凝固过程中作为非均质形核核心，促进了细小等轴晶的形成。在T6热处理后析出的次生纳米级的Al3(Sc,Zr)颗粒不仅提高了铝合金的热稳定性，阻碍晶粒长大，而且具有析出强化作用。

(3)在沉积态条件下，晶界析出了大量连续的共晶组织，晶内析出相为η'相、η相和T相。T6热处理后，分布于沿晶界的共晶组织大部分溶入到Al基体中，而晶内析出了大量的GP区、η'相和次生的Al3(Sc,Zr)颗粒，导致强度显著提高。

(4)T6热处理后，试件水平方向的平均UTS、YS和伸长率分别为618±4MPa，542±6MPa和5.7%±0.7%。抗拉强度成功突破了600 MPa，这是迄今报道的WAAM铝合金中强度最高水平。

06 引用本文

Xinpeng Guo,Huijun Li*,Peng Xue,Zengxi Pan,Rongzheng Xu,Dingrui Ni*,Zongyi Ma,Recent advances in designing ZnIn2S4-based heterostructured photocatalysts for hydrogen evolution,J.Mater.Sci.Technol.149(2023)56-66.