锤击喷丸辅助的增材制造技术用于制备含有微量纳米颗粒的AlZnMgCu合金

《cMat》：Hammer Peening Assisted Additive Manufacturing of Trace Nanoparticles Reinforced AlZnMgCu Alloy

通过master alloy结合超声气雾化制备含TiC-TiB?纳米颗粒的Al7075粉末，采用激光增材制造（LDED）结合层间锤击喷丸（HP）工艺，经T73热处理后获得屈服强度360 MPa、抗拉强度473 MPa、断裂伸长率12.5%的优异力学性能，强化机制包括晶界、位错及背应力协同强化。

　　在当前的研究中，科学家们探索了如何通过先进的增材制造技术，特别是激光导向能量沉积（LDED）结合锤击成形（hammer peening）处理，来改善高强铝合金的性能。这项研究聚焦于一种名为Al7075的铝合金，其主要成分包括锌、镁、铜等元素，通常用于航空航天、汽车和船舶等高要求领域。然而，这类材料在增材制造过程中常面临一些挑战，如材料内部的孔隙、热裂纹以及机械性能不足等问题。这些问题限制了其在实际应用中的广泛采用。为了克服这些局限性，研究人员采用了一种创新的策略，即通过主合金方法与超声气体雾化技术相结合，制备含有微量TiC-TiB?纳米颗粒的复合粉末，并在LDED过程中引入锤击成形处理，以进一步提升材料的致密性与综合性能。

通过这种复合粉末的制备，纳米颗粒被均匀地嵌入到铝合金粉末中。这些纳米颗粒在制造过程中起到了关键作用，它们不仅提高了粉末对激光的吸收效率，还促进了异质形核，从而优化了熔池的凝固过程。此外，纳米颗粒的引入有助于减少气孔和热裂纹的形成，这是提高材料强度和延展性的重要因素。研究人员在LDED过程中每四层沉积材料后施加一次锤击成形处理，这种策略不仅有效闭合了沉积层中的微小缺陷，还通过局部的高压力作用，改善了材料的致密程度。同时，锤击成形还能促进残余应力的重新分布，诱导材料的回复和再结晶，从而形成等轴晶结构。这些机制共同作用，使得最终的材料表现出优异的力学性能。

在机械性能方面，经过T73热处理的HAM处理样品表现出显著的提升。其屈服强度达到了360 MPa，抗拉强度为473 MPa，断裂伸长率为12.5%。这些数值远高于未处理样品和仅通过LDED制造的样品。研究人员发现，这种性能的提升主要归因于多种协同作用的强化机制。其中，晶界强化和位错强化是关键因素，它们通过阻碍位错运动和增加位错密度，提高了材料的强度。同时，背应力强化机制也在其中发挥了重要作用，特别是在异质晶粒结构的存在下，这种背应力能够有效增强材料的变形抗力。此外，HAM处理还通过减少孔隙和提高低角度晶界（LAGBs）的比例，增强了材料的延展性。

从微观结构的角度来看，HAM处理后的材料展现出更加精细的晶粒分布。在锤击处理区域，观察到大量等轴晶的形成，这些晶粒的尺寸显著小于未处理区域，表明纳米颗粒的引入以及锤击成形的处理对晶粒细化起到了积极作用。与此同时，锤击处理区域的晶界密度也有所增加，这有助于提升材料的强度和延展性。值得注意的是，锤击处理虽然促进了晶粒的细化和晶界密度的提升，但同时也引发了部分晶粒的粗化现象，尤其是在沉积层的下部区域。这种粗化现象主要由热循环引起的，尽管它在一定程度上削弱了异质变形诱导强化（HDIS）的效果，但整体而言，HAM处理仍然显著改善了材料的综合性能。

研究还揭示了锤击成形在改善材料性能方面的多重作用。首先，锤击处理通过施加外部应力，进一步压缩沉积层，减少内部微孔和缺乏熔合缺陷。其次，锤击处理过程中产生的局部高压能够有效闭合较大的气孔，并促使已有的气孔或缺乏熔合缺陷发生塑性变形，从而被消除。此外，锤击处理还能激活位错的运动和重新排列，有助于释放和重新分布内部应力。通过这种方式，锤击处理不仅提升了材料的致密性，还优化了其微观结构，使得材料在承受外部载荷时表现出更好的强度和延展性。

在材料的微观结构分析中，研究人员利用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）技术对HAM处理后的样品进行了详细研究。结果表明，锤击处理区域的晶粒呈现等轴形态，且晶界密度较高。这种结构的形成得益于锤击处理带来的动态回复和部分动态再结晶，以及后续热循环引起的静态再结晶。同时，锤击处理还显著提高了位错密度，这种高密度的位错在材料变形过程中相互作用，导致位错的湮灭或重新排列，从而增强了材料的变形阻力。此外，研究还发现，HAM处理样品的晶界处存在较高的背应力，这种应力在材料变形过程中起到了关键的强化作用。

除了纳米颗粒的引入和锤击处理的优化，研究还对材料的热处理工艺进行了系统分析。T73热处理包括固溶处理、水淬和时效处理三个阶段，其中固溶处理在470°C下进行1小时，水淬后在110°C和150°C下分别进行5小时和14小时的时效处理。这种热处理工艺不仅促进了纳米颗粒的析出，还优化了晶粒的排列和分布，使得材料的强度和延展性得到进一步提升。研究发现，T73处理后的HAM样品在强度和延展性方面表现尤为突出，其屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别达到了360 MPa、473 MPa和12.5%。相比之下，仅通过LDED制造的样品虽然在某些方面有所改善，但其性能仍无法与HAM处理样品相媲美。

为了进一步验证这些结论，研究人员还对HAM处理样品的硬度进行了测量。结果显示，锤击处理区域的显微硬度比未处理区域提高了约8.9%。这种硬度的提升主要来自于纳米颗粒的引入和锤击处理的协同作用，其中纳米颗粒通过晶界强化和位错强化机制提高了材料的硬度，而锤击处理则通过动态回复和再结晶过程进一步增强了这些强化效应。此外，研究还发现，锤击处理对材料的延展性有显著的提升作用，尤其是在T73处理后的样品中，断裂伸长率的增加幅度达到了19%。这表明，HAM处理不仅改善了材料的强度，还有效提高了其延展性，从而实现了强度与延展性的良好平衡。

从整个研究来看，这项工作展示了将纳米颗粒强化与机械场辅助技术相结合在增材制造高强铝合金中的巨大潜力。通过优化纳米颗粒的分布和锤击处理的工艺参数，研究人员成功地减少了材料的孔隙率，抑制了热裂纹的形成，并显著提升了材料的致密性。这些改进不仅提高了材料的机械性能，还使其在复杂结构和高应力环境下具有更好的适应性和稳定性。此外，研究还揭示了锤击处理对材料微观结构的深远影响，包括晶粒细化、晶界密度增加以及位错密度提升等。这些变化共同作用，使得材料在强度和延展性方面表现出优异的综合性能。

在实际应用中，这项研究为高强铝合金的增材制造提供了新的思路和技术手段。传统的增材制造方法往往难以兼顾材料的强度与延展性，而通过引入纳米颗粒和优化锤击处理工艺，研究人员成功地解决了这一难题。这种方法不仅适用于Al7075合金，还可能推广到其他高强铝合金的制造中，从而为轻量化结构材料的发展提供强有力的支持。此外，这项研究还强调了工艺参数对材料性能的决定性作用，表明在设计和优化增材制造工艺时，必须综合考虑多种因素，如粉末的制备方式、激光参数的设置以及后续处理方法的选择。

总的来说，这项研究通过一系列创新的工艺和技术手段，成功地提升了高强铝合金的综合性能。其成果不仅为材料科学领域提供了新的研究方向，也为工业界在轻量化和高性能材料制造方面带来了重要的应用价值。未来，随着对纳米颗粒强化和机械场辅助技术的进一步研究，有望开发出更多性能优异的增材制造材料，满足日益增长的高性能结构材料需求。