通过层间锤击降低电弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸各向异性

《Materials Science and Engineering: A》：Mitigation of tensile anisotropy in wire-arc additively manufactured Al-Zn-Mg-Cu alloy via interlayer hammering

　　

电弧增材制造（WAAM）凭借其高效和几何灵活性，已成为一种制造大型高强度铝构件的有前景的技术。然而，WAAM过程中的反复热循环和非平衡凝固往往会诱导微观组织不均匀性和力学各向异性。本研究系统地研究了层间锤击对WAAM制备的AA7075合金微观组织演变和拉伸各向异性的影响。研究结果表明，层间锤击通过破碎熔合边界处的连续缺陷和富Mg-Zn-Cu相网络，恢复了基体的结构连续性。此外，层间锤击细化了熔合线下方的晶粒，削弱了凝固织构，从而减轻了局部应力集中。因此，拉伸各向异性显著降低；在最大锤击应变下，构建方向与纵向之间屈服强度和抗拉强度的差异减小至10%以内，同时延伸率也得到提升。这些发现表明，WAAM制备的AA7075合金的各向异性力学行为不仅由缺陷密度控制，还受界面特征的空间连通性影响。此外，发现方向相关的力学行为源于周期性粗晶和细晶微观组织的形成，标志着各向异性从缺陷主导向微观组织控制的转变。本研究为通过微观组织设计控制各向异性提供了机理基础，从而提高了WAAM制备的7xxx系列铝合金的结构可靠性。

引言

7xxx系列铝合金因其高比强度和显著的减重效益，已被广泛应用于航空航天、交通运输和能源等领域，作为重要的轻质结构材料[1], [2], [3]。具体来说，AA7075是一种典型的Al-Zn-Mg-Cu合金，是一种众所周知的高强度材料，适用于重载结构应用，因为它可以通过时效硬化热处理获得优异的强度[4], [5], [6]。近年来，对具有增强设计灵活性的大型结构件日益增长的需求，引发了人们对高强度铝合金增材制造（AM）的日益关注[7]。特别是，电弧增材制造（WAAM）凭借其高沉积速率和具有成本效益的生产能力，已成为生产大型结构件的有前景的方法[8], [9]。

然而，WAAM在7xxx系列铝合金中的实际应用受到冶金复杂性的制约。由于宽大的凝固温度范围和冷却过程中液相中氢溶解度的急剧下降，气孔和裂纹状缺陷容易在层间接面和焊接界面处形成[10], [11], [12], [13], [14]。此外，非平衡凝固和反复热循环会诱导溶质再分配和微观组织不均匀性。具体来说，气孔、富溶质相和金属间化合物在层间接面和枝晶边界处的积累形成了结构薄弱区域[15]。这些不良结构特征可能会降低力学性能并导致各向异性变形行为。Li等人研究表明，在WAAM过程中，Al-Zn-Mg-Cu合金的变形局部化和断裂行为随沉积方向显著变化，表明各向异性是由微观组织特征和界面缺陷驱动的[16]。此外，Zhang等人揭示，WAAM过程中的循环热历史可能影响溶质再分配和晶界析出，从而导致局部微观组织不均匀性[17]。与这些发现一致，几项关于WAAM制备的7xxx系列铝合金的研究报道了垂直于沉积方向的明显应变局部化和低断裂抗力。这些观察结果表明，观察到的力学各向异性与微观组织缺陷的分布和特征密切相关[8]。

WAAM过程中的力学各向异性不能完全用几何缺陷（如气孔或裂纹）来解释。反复的熔化和凝固循环会在热梯度方向上产生粗晶和定向铸造结构[18]。同时，层间外延生长促进了晶体学织构的形成，这种织构在连续层的沉积过程中得到增强[19], [20], [21]。因此，沉积材料发展出复杂的微观组织，其特征为定向粗晶、高气孔密度和连续的第二相网络。因此，对微观组织不均匀性、织构演变和缺陷变化的综合理解，对于阐明WAAM 7xxx合金的力学行为至关重要。

为了更好地理解控制各向异性力学行为的微观组织因素，已开发了各种冶金和加工工艺策略[22], [23], [24]。Martin等人证明，引入纳米颗粒可以在AA7075和AA6061合金中产生无裂纹的等轴晶[13]。类似地，Nie等人报道，Al?(Sc,Zr)弥散相作为形核点，导致晶粒细化和力学性能改善[25]。除形核策略外，合金重新设计也被探索用于改善增材制造可加工性。Fieser等人[26]证明，围绕近共晶凝固路径设计的增材制造Al–Ce–Ni–Mn–Zr合金，在优化工艺窗口内实现了致密无裂纹的微观组织，孔隙率低于0.01 vol.%，硬度高达160 HV。这些改进对快速凝固条件下的增材制造和焊接工艺具有重要意义。与此同时，基于工艺的方法也被提出用于控制缺陷形成。Dai等人[27]和Zhang等人[28]分别提出，电弧振动和超声辅助工艺可以通过控制熔体流动和形核行为来抑制缺陷。此外，工艺热输入控制[10], [29]、层间塑性变形、激光冲击强化[21], [30]和层间摩擦搅拌处理[31]也被报道可以改善力学性能。其中，层间锤击是一种代表性的塑性变形工艺，在每层沉积前对每一层施加压缩载荷。这种方法可以控制焊道几何形状和界面微观组织，其优势在于可以在不改变凝固参数的情况下，在后续高温处理期间调整和微调微观组织和缺陷。此外，该工艺可以作为简单的机械模块轻松集成到WAAM系统中。

先前的研究表明了层间变形的有效性。Gu等人证明，层间冷加工可以促进Al-Cu合金中的气孔减少和晶粒细化[32], [33]。Liu等人发现，层间轧制影响了热处理过程中微孔的分布和行为。类似地，Qie等人报道了通过层间摩擦搅拌处理同时提高强度和延伸率[31]。这些结果突出了层间处理在定制微观组织和增强整体力学性能方面的潜力。然而，WAAM 7xxx合金中缺陷演变、微观组织重排和各向异性拉伸行为之间的关系仍未得到充分探索。Coniglio和Cross报道，凝固裂纹受枝晶间液相连续性和变形局部化之间相互作用的影响[14]。具体来说，液膜的连通性决定了裂纹扩展路径。这意味着微观组织特征与沿层间接面形成的结构连续性密切相关。尽管如此，很少有研究分析这些综合因素如何影响WAAM 7xxx合金的拉伸各向异性和整体力学性能。

在本研究中，对WAAM制备的AA7075施加了层间锤击，并系统地分析了作为锤击应变和后续T6热处理函数的力学性能与微观组织演变之间的相关性。研究目的是调查层间锤击诱导的界面微观组织变化是否能有效控制WAAM制备的AA7075的拉伸各向异性。除了降低缺陷密度外，本研究还探索了这些锤击诱导的微观组织变化是否能改变晶粒结构、界面缺陷和第二相，从而影响缺陷敏感通道的连续性。此外，研究了界面缺陷形貌与变形行为之间的关系，以阐明层间锤击如何影响WAAM制备的AA7075的力学性能。

部分摘录

材料与工艺

在本研究中，使用AA7075-T6铝板（100 mm × 200 mm × 10 mm；大连汇诚铝业公司，中国）作为基板，使用AA7075铝合金丝（直径1.2 mm；河北鹿霖达焊接材料有限公司，中国）作为WAAM送进材料。使用感应耦合等离子体-光学发射光谱（ICP-OES；iCAP-6500，Thermo Scientific，英国）分析基板和线材的化学成分，结果列于表1。

实验……

宏观形貌与微观组织

图2展示了WAAM制备的AA7075工件的宏观外观。直接成形（ε = 0%）和锤击（ε = 5.4%和10.3%）试样分别以63、54和68层沉积制成，均超过50层沉积层。单层沉积层的平均厚度t_layer通过将总构建高度除以沉积层数计算得出。随着锤击诱导应变从0%（图2(a)）增加到5.4%和10.3%（图2(b)和(c)）……

织构调控

在铝合金中，晶体学织构控制塑性变形过程中活性滑移系的空间分布，这显著影响基体中的应力和应变局部化[36], [37]。在增材制造中，固有的热历史和循环再加热促进了择优取向的晶体学织构发展，这深刻改变了基本力学行为[38], [39]。因此，定制织构演变对于实现……

结论

在本研究中，系统地研究了层间锤击对WAAM制备的AA7075合金微观组织演变和拉伸各向异性的影响。主要结论如下：

(1) 层间锤击通过积累塑性应变促进后续沉积过程中的再结晶，有效地将凝固柱状晶细化为等轴晶，并削弱了凝固织构。此外，机械冲击成功恢复了……

CRediT作者贡献声明

Su-Hyeon Kim：写作——审阅与编辑、监督、项目管理、调查、资金获取。Won-Kyoung Kim：方法论、调查。Hyun-Seok Cheon：写作——审阅与编辑、写作——初稿、方法论、调查、概念化。Yun-Soo Lee：写作——审阅与编辑、可视化、监督、方法论、调查、概念化。Young-Seok Oh：方法论、调查。Je In Lee：写作——审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性声明

与本研究相关的数据可通过合理请求向通讯作者获取。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由韩国国家研究基金会（NRF）通过韩国科学技术部（MSIT）资助的拨款支持（拨款编号：NRF-2021M3H4A1A04091999），以及韩国材料研究所基础研究计划（PNKA880）资助。

Hyun-Seok Cheon | Su-Hyeon Kim | Won-Kyoung Kim | Young-Seok Oh | Je In Lee | Yun-Soo Lee
韩国材料研究所，轻质材料研究部，昌原51508，大韩民国