由于A(yíng)l-Zn-Mg-Cu合金較大的凝固區(qū)間（約150 K），熱膨脹系數(shù)高，開(kāi)裂敏感性大，熔體流動(dòng)性差，導(dǎo)熱系數(shù)高等特性，激光粉末床熔化技術(shù)（LPBF）快速熔凝過(guò)程中易出現(xiàn)熱裂紋；電弧增材制造（WAAM）中電弧的熱輸入較大，熔池的凝固速率較小，看上去能夠解決Al-Zn-Mg-Cu合金LPBF過(guò)程易生裂紋的制造難題，遺憾的是，WAAM過(guò)程的高熱輸入同樣會(huì)促進(jìn)粗大晶粒、氣孔以及元素偏析的形成，這將導(dǎo)致性能的各向異性和拉伸強(qiáng)度的降低。

基于此，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院馬廣義、吳東江教授與江蘇大學(xué)魯金忠、羅開(kāi)玉教授合作，提出激光-電弧復(fù)合增材制造新方法，解決Al-Zn-Mg-Cu合金的增材制造難題，相關(guān)論文以題為“Superior strength of laser-arc hybrid additive manufactured Al-Zn-Mg-Cu alloy enabled by a tunable microstructure”，發(fā)表在增材制造頂級(jí)期刊《Additive Manufacturing》上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103526

該技術(shù)采用定域可控的脈沖激光作為熱源之一，與熱輸入較大的電弧復(fù)合共同熔化焊絲，通過(guò)激光與電弧的協(xié)同作用，制備出Al-Zn-Mg-Cu合金樣件，研究了激光-電弧復(fù)合增材過(guò)程微觀(guān)組織的形成機(jī)制，以及隨后的固溶+時(shí)效熱處理對(duì)組織和力學(xué)行為的影響。在平行于沉積方向的截面上觀(guān)察到雙峰異質(zhì)組織，即電弧區(qū)柱狀晶粒和激光區(qū)等軸晶粒交替分布。η-MgZn2相在電弧區(qū)晶界處形成復(fù)雜的連續(xù)網(wǎng)狀，而在激光區(qū)為晶內(nèi)離散、均勻分布的顆粒形態(tài)。通過(guò)TEM觀(guān)察到60-100 nm的棒狀η相，與Al基體為非共格界面，對(duì)力學(xué)性能的提升較少。經(jīng)過(guò)熱處理后，η相發(fā)生溶解，激光區(qū)和電弧區(qū)的元素和析出相分布趨于一致化，晶粒沒(méi)有發(fā)生再結(jié)晶。高密度的η′相與Al基體為半共格界面，是Al-Zn-Mg-Cu合金中最主要的強(qiáng)化相，與基體晶格排列相同的GP-Ⅱ區(qū)周?chē)Ц駮?huì)畸變，形成共格應(yīng)變場(chǎng)，也能夠起到強(qiáng)化作用。熱處理態(tài)的Al-Zn-Mg-Cu合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到602.3±7.6 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為8.90±0.10%，該合金的綜合力學(xué)性能優(yōu)于大多數(shù)LBPF制備和WAAM制備的Al-Zn-Mg-Cu、Al-Cu以及Al-Mg(Si)合金，能夠與常規(guī)鍛造的7075鋁合金相媲美。

圖1 （a）晶粒形態(tài)演變示意圖；（b）柱狀晶和等軸晶的IPF圖。

圖2 沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的SEM和EDS：（a）顯微組織，（b）AZ的放大視圖，（c）LZ的放大視圖，（d）第二相及其選區(qū)的元素分布。

圖3 （a）熱處理態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的典型HRTEM。（b）（a）圖中紅框區(qū)域的對(duì)應(yīng)SAED和析出相的元素分布。（c）GP-II區(qū)的HRTEM和SAED。（d）（c）圖中標(biāo)記區(qū)域的反FFT。（e）通過(guò)GPA方法計(jì)算的應(yīng)變場(chǎng)。

圖4 沉積態(tài)和熱處理態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的力學(xué)性能：（a）拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，（b）橫向和縱向拉伸性能，（c）本工作中與LPBF和WAAM制造的其他Al-Zn-Mg-Cu、Al-Cu和Al-Si（Mg）合金的力學(xué)性能比較

與此同時(shí)，結(jié)合熔池凝固過(guò)程CFD模擬，探討了激光-電弧復(fù)合過(guò)程中獨(dú)特的微觀(guān)組織的形成及演變機(jī)理。本研究采用的脈沖激光的峰值功率為2000 W，產(chǎn)生小孔效應(yīng)，脈沖激光加入瞬間，熔池內(nèi)部溫度升高，在脈沖激光結(jié)束時(shí)刻達(dá)到最大值。當(dāng)僅電弧作用于熔池時(shí)，熔池內(nèi)部的平均溫度梯度約為104 K/m，激光作用瞬間增大至105K/m，G/R值降低，晶粒向粗大柱狀晶生長(zhǎng)的趨勢(shì)減弱，更容易轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。脈沖激光周期性的能量輸入，加快了熔池對(duì)流，提高熔池凝固速率，促進(jìn)了溶質(zhì)元素的充分?jǐn)U散。

圖5 激光-電弧復(fù)合增材熱歷程：（a）t=0 ms時(shí)2D切片和3D溫度場(chǎng)，（b）t=0 ms時(shí)2D切片和3D溫度場(chǎng)，（c）Section B的不同區(qū)域的熱歷程，（c）沿Z方向的固/液界面溫度梯度與凝固速率變化。

另外，定量計(jì)算了Al-Zn-Mg-Cu合金的強(qiáng)化機(jī)制，主要包括晶界強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化。晶界強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)約為4.5%，Zn、Mg和Cu三種元素的沉淀強(qiáng)化為16.5%，而η′相和GP-Ⅱ區(qū)引起的沉淀強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)高達(dá)75.1%。此外，激光-電弧復(fù)合增材制造的Al-Zn-Mg-Cu合金樣件的縱向力學(xué)性能均低于橫向樣件，呈現(xiàn)各向異性。與沉積態(tài)樣件相比，經(jīng)過(guò)熱處理后UTS各向異性百分比降低了約65%。