引用论文

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。

2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) , (b) (e) , (c) (f)

3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。

4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，、和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。、< 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%。

5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。

6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。

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. 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.