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研究背景

7xxx系列鋁合金，如7075鋁合金，具有重量輕、強度高、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能優(yōu)異等特點，是航空航天和汽車工業(yè)的高性能工程合金。隨著航空航天工業(yè)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的加工方法，如鑄造、激光焊接、塑料加工等，越來越難以制造出具有優(yōu)異力學(xué)性能的復(fù)雜對應(yīng)物。

激光粉末床熔合（LPBF）是一種典型的增材制造（AM）技術(shù)，利用三維（3D）計算機模型控制的逐層沉積過程，生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的全致密材料。得益于LPBF的加工靈活性和鋁合金的重要性，它們的結(jié)合在進一步擴大高性能鋁合金的應(yīng)用方面非常有吸引力和前景。高質(zhì)量的（近）共晶Al-Si合金（如AlSi10Mg，AlSi12等）樣品已成功地用LPBF制備，因為這些合金具有良好的鑄造性和可焊性。

然而，用L-PBF制備7xxx鋁合金仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。7xxx系列鋁合金固有的一些物理特性，如流動性差、反射率高、導(dǎo)熱系數(shù)高、凝固收縮率高等，由于其高開裂傾向，其SLM加工性較低。這是因為SLM過程中激光束產(chǎn)生的熔池（MPs）中的快速加熱、定向熱提取和快速凝固（10?1 -101 K/m）以及大熱梯度（~106 K/m）等特殊的熱歷史。特別是，高冷卻速率（103 ~ 106 K/s）和大的熱梯度導(dǎo)致高的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致開裂。而與熱梯度與凝固速率（即gv）之比較大相關(guān)的定向凝固特征導(dǎo)致凝固時在MPs內(nèi)部甚至穿過MPs形成大的、有織構(gòu)的柱狀晶粒。這種微觀組織促使裂紋沿晶界擴展。在連續(xù)的打印層上產(chǎn)生柱狀晶粒和熱撕裂裂紋，嚴(yán)重阻礙了LPBF構(gòu)建的7xxx系列鋁合金的成熟和充分發(fā)揮其潛力。

實驗成果

澳大利亞昆士蘭大學(xué)團隊另辟蹊徑，提出了一種結(jié)合基體改性和添加物處理的新策略，在寬加工窗口下使用SLM制備無裂紋、致密的高強度7075合金。在7075合金粉末中添加1wt % Ti亞微米顆粒，使Al晶粒細化，有效提高抗裂性能。此外，對SLM襯底進行了改性，從而允許將隔熱材料（如蛭石）集成到襯底中。結(jié)果表明，熔池冷卻速率和凝固過程中的熱梯度顯著降低。這直接導(dǎo)致了熔池內(nèi)熱應(yīng)力的減少。采用基體改性和Ti孕育相結(jié)合的方法，在LPBF制備的7075合金中獲得了無裂紋的細等軸組織，其力學(xué)性能與變形后的7075合金相當(dāng)。

相關(guān)成果以“A novel strategy to additively manufacture 7075 aluminium alloy with selective laser melting”為題發(fā)表于金屬材料領(lǐng)域頂級期刊《Materials Science ＆ Engineering A》。該策略可應(yīng)用于其他增材制造工藝性較低的工程合金的單軸加工，為擴大單軸加工的工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

實驗結(jié)果

基板在SLM加工過程中充當(dāng)散熱片。因此，冷卻速率和熱梯度可以通過降低基板的導(dǎo)熱性來減少熱釋放來交替地降低。 

商用SLM125HL系統(tǒng)的基板

將7075合金粉末與1wt %的Ti顆?；旌希苽銽i- 7075合金（簡稱Ti- 7075），以保證Ti顆粒在7075合金粉末表面均勻分布。 

TI-7075粉末的形貌

OM圖可以觀察到，在正常Al基體上制備的所有7075樣品都具有裂紋和/或氣孔的特征，這些裂紋在所有樣品中幾乎是直的，并且與BD平行，在圖4a中用淡黃色箭頭標(biāo)記。根據(jù)激光能量密度的不同，裂紋的長度從數(shù)百微米到毫米不等，其比例從1.2%到2.5%不等（圖b）。當(dāng)能量密度為35 J/mm3或47 J/mm3時，7075試樣的裂縫密度較低，但在能量密度≤83 J/mm3時，試樣的裂縫比例較高。當(dāng)激光能量密度增加到111 J/mm3以上時，雖然裂紋長度和裂紋分數(shù)降低，但氣孔率升高，使LPBF制備的7075合金整體密度降低，如圖4a和c所示。這與前人對LPBF制備的2xxx、5xxx和7xxx系列鋁合金的研究結(jié)果一致。低能量密度和高能量密度都會導(dǎo)致LPBF制備鋁合金的高孔隙。當(dāng)能量密度適中（83 ~ 111 J/mm3）時，合金孔隙率最低。

不同工藝參數(shù)下構(gòu)建的SLM樣品的致密化行為

EBSD逆極圖（IPF）圖可以清楚地觀察到，基體改性對合金組織的影響很小，而接種1 wt% Ti則顯著細化了slm制備合金中的Al晶粒。圖a和b顯示，7075合金和7075- as合金均具有沿BD外延生長的大柱狀晶粒，其末端長度可達數(shù)百微米。IPF顏色表明，這些柱狀顆粒大部分沿BD具有較強的織構(gòu)[001]，這與先前對其他增材制造的立方結(jié)構(gòu)材料的研究一致。

LPBF制造合金的EBSD逆極圖（IPF）圖，沿其縱向截面觀察

掃描電鏡背向散射圖像顯示，沿Al晶界有極細的金屬間網(wǎng)絡(luò)（厚度約為100 nm）， Al晶界內(nèi)有一些納米尺度的金屬間顆粒（尺寸約為100 nm），用黃色箭頭表示。根據(jù)圖b所示的能譜圖，這些金屬間網(wǎng)絡(luò)和納米顆粒是富集Zn/Cu/Mg的化合物。這些金屬間化合物被認為是η-Mg(Zn,Cu,Al)2相，在AM或傳統(tǒng)鑄造工藝制備的7xxx合金中經(jīng)常被報道。此外，在Al晶粒中心可以觀察到尺寸為300-500 nm的立方顆粒（由紫色箭頭指向）（圖a）。能譜圖證實這些納米顆粒富含Ti，表明它們是在SLM加工過程中原位形成的。此外，利用能譜分析儀對Al晶粒中的溶質(zhì)元素進行了定量分析。圖c所示的能譜圖表明，α-Al基體中主要溶質(zhì)成分為Zn、Mg和Cu。而在當(dāng)前能譜儀的檢測限（~0.1 wt%）內(nèi)，未檢測到Ti溶質(zhì)。

TI-7075-AS合金的SEM顯微圖及相應(yīng)的EDS分析

采用拉伸試驗對slm制備的TI-7075-AS合金的力學(xué)性能進行了表征。對于其他合金，拉伸試驗不適用，因為它們的大多數(shù)拉伸試樣在拉伸試驗機的試樣切片或夾緊過程中斷裂。這表明由于裂紋比例高，這些合金具有明顯的脆性，這與先前的研究一致。圖a為TI-7075-AS合金試樣在原狀和T6條件下的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢郧宄赜^察到，該合金具有各向同性的力學(xué)性能。合金的屈服強度（YS）為190±8 MPa，極限抗拉強度（UTS）為291±19 MPa，斷裂伸長率（EL）為7.9±2.9%。經(jīng)T6熱處理后，合金的力學(xué)性能得到了顯著改善，其力學(xué)性能表現(xiàn)為YS（420±7 MPa）和UTS（503±6 MPa）顯著提高，EL保持在7.5±1.2%。這歸因于該合金在T6熱處理過程中顯著的析出強化。由于本工作的核心是通過新策略消除裂紋，因此本文不詳細介紹TI-7075-AS合金在T6處理過程中的組織演變和析出強化機制。

力學(xué)性能表征

7075和TI-7075合金均為典型的易熱裂合金體系，凍結(jié)范圍在~140℃，凝固后期溫度急劇下降（𝑓S≥0.8），如圖的Scheil-Gulliver凝固曲線所示。這表明7075合金體系的最終凝固階段較長，這使得液體薄膜中有更多的時間積累應(yīng)變，增加了SLM加工過程中的熱撕裂傾向。

Scheil-Gulliver凝固曲線

在普通鋁基板上，每條激光軌跡的溫度分布相似。在激光光斑處（即MP中心）溫度達到~2000°C的最大值，隨后由于激光束的高斯熱源的作用，隨著距離激光光斑的增加，溫度急劇下降。隨著激光軌跡的增加，最高溫度略有升高，這是由于先前凝固區(qū)域的預(yù)熱作用所致。除激光加熱區(qū)域外，其余區(qū)域包括未加熱的粉床和基材相對“冷”，溫度為200℃（預(yù)熱溫度）。這表明，在激光離開后，大部分熱量被從襯底傳導(dǎo)出去，沒有明顯的積累。這歸因于Al的高導(dǎo)熱系數(shù)（240 W/m·K）。

激光掃描兩種基材粉末床上第1、3、5、7道時的溫度分布

結(jié)論

本文提出了一種將孕育處理與基體改性相結(jié)合，有效提高高強度7075鋁合金slm加工性能的新策略。這使得制造無裂紋，高密度的7075合金具有改善的機械性能，沒有明顯的成分偏差。

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