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北航增材制造顶刊:揭示增材制造稀土镁合金的显微组织演变机理

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减重是航空航天工业长期以来追求的目标。通过结构优化并采用更轻的镁合金等材料可以实现航空器和航天器的大幅度结构减重,是未来的发展方向之一。定向能量沉积增材制造技术不仅适合于大型复杂结构件的柔性成形,也是制备高性能金属材料的新方法。采用增材制造成形镁合金构件,不仅可以降低复杂结构件的生产成本,同时也可以开发出新型高强镁合金材料,充分发挥镁合金的减重优势,拓宽镁合金的应用范围。目前,开发增材专用镁合金材料并优化增材制造镁合金工艺参数仍是亟待解决的问题。

北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室郑冬冬博士、李卓副研究员(通讯作者)联合上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心彭立明教授、吴玉娟研究员等,设计了增材制造专用Mg-Gd-Al-Zr系合金GA151K,并运用多种材料学表征手段系统研究了激光定向能量沉积(laser-directed energy deposition,LDED)GA151K合金沉积过程中的显微组织演变机理,分析了增材制造特有的小熔池快速冶金、非平衡快速凝固和热循环(Thermal cycle)对GA151K合金显微组织和力学性能的影响。在此基础上,本文总结了增材制造Mg-RE合金显微组织演化的共性,讨论了合金元素、增材制造工艺及参数对沉积态镁稀土合金显微组织的影响规律。上述研究成果以“Effect of multiple thermal cycles on the microstructure evolution of GA151K alloy fabricated by laser-directed energy deposition”为题目发表在增材制造顶刊Additive manufacturing上。

全文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102957

北航增材制造顶刊:揭示增材制造稀土镁合金的显微组织演变机理

沉积态GA151K合金样品的最后几层受到次数有限的、不完全的热循环,显微组织与下部分存在差异,称为非稳态区(Unstable zone,UZ);其余大部分受到完整的热循环,称为稳态区(stable zone,SZ)。UZ和SZ之间的分界线对工艺敏感,可以通过表征显微组织、模拟或检测温度场演变等方法获知,在表1中假设其分界线Layer N-x。特别的,在UZ中,最顶层为直接凝固组织、未受到后续热循环的影响,可以反映合金直接凝固组织的特点,称为Top layer(TL)或Layer N。分析TL和SZ两区域的显微组织差异,可以得出热循环对显微组织的影响规律,也是认识激光定向能量沉积增材制造镁合金微观组织演变的基础。

表1 增材制造镁合金样品的不同区域

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TL部分直接凝固组织为细小的等轴晶,晶粒尺寸约10μm。经过一次热循环后,第二相含量显著下降(降幅9.3±2.1%),晶粒尺寸略有增加(增幅1.4±1.0µm)。

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图1 a沉积态GA151K合金的金相照片、b-d不同位置的扫描电镜像和e显微组织形成过程示意图

通过分析TL和SZ部分显微组织差异可以获知完整热循环对显微组织的影响。该影响可以从相变和原位热处理两个角度分析:

(1)热循环-相变。如图2所示,通过透射电镜下的电子选区衍射分析,晶间相结构由β1GB-Mg3Gd变为βGB-Mg5Gd。根据Mg-Gd相图,该成分下的平衡晶间相为Mg5Gd,但增材过程中最先形成了非平衡相(或近平衡相)Mg3Gd。Mg3Gd的形成可以用相变驱动力解释:在非平衡凝固过程中,由于形核能垒的影响,吉布斯函数最低的相(Mg5Gd)很难直接形成;通常需要先形成一个形核能垒较小但吉布斯函数较高的相(Mg5Gd)再转变为吉布斯函数最低的相。同时,镁晶粒内部在热循环影响下析出β′-Mg7Gd(图3)。

(2)热循环-原位热处理。从热处理角度分析,晶间相含量的大幅度下降称为原位固溶处理,β′-Mg7Gd的析出称为原位时效处理或原位沉淀硬化(in situ precipitation hardening)。原位固溶处理仍残留很多晶间相,固溶不完全;而原位沉淀析出β′-Mg7Gd的数量面密度可达1.56×10-3nm-2,接近时效中期的铸造Mg-Gd合金。同时,与TL相比,SZ的硬度提升了6.9±5.0HV。可见,原位沉淀硬化比原位固溶进行的更充分,可以进行深入研究。

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图2 TL和SZ区域晶间相的透射电镜像和相应的电子选区衍射花样

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图3 TL(a,b)和SZ(c,d)区域α-Mg晶粒内部的透射电镜像和相应的电子选区衍射花样,SZ区可见大量纳米析出相β′-Mg7Gd

为了获得本文工艺下的显微组织演变全过程。作者对相变温度进行了讨论。本文存在以下几个关键相变温度:液相线温度TL,共晶转变温度Tβ.e.(~548℃),β′-Mg7Gd析出的上限和下限温度Tβ′.up.(~360℃)和Tβ′.low.(200℃下,β′-Mg7Gd长期稳定,因此可以认为Tβ′.low.为200℃)。通过增材制造在线监测获得温度-时间曲线和理论温度进行比照,对增材制造过程中的相变行为进行了推演,如图4c所示。对于β′-Mg7Gd析出的关键位置、非稳态区UZ和稳态区SZ的分界位置,通过聚焦离子束和透射电镜等表征手段进行了进一步的明确,如图4b所示。在本文工艺下,β′-Mg7Gd最早出现在第二次热循环过程中。第六次热循环的最大温度低于200℃,因此认为第7层起为稳态区,非稳态区UZ为样品最上方六层即Layer N至Layer N-5。通过对沉积成形-固态相变过程的分析可以发现,热循环通过瞬时加热冷却的方式对相变产生影响,相变过程与工艺密切相关。

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图4 a温度在线监测曲线;b不同位置显微组织的透射电镜分析;c沉积过程中,温度-时间和显微组织对应关系图

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图5 逐层沉积过程中,晶粒、晶间相和纳米析出相随沉积过程变化的机理图

原位析出纳米沉淀相的现象在其他增材制造镁合金相关报道中也有涉及:在激光粉末床熔化(LPFF)工艺制备的WE43中发现了β1-Mg3Nd,GZ112K中发现γ′,这些合金与本文成分差异较大,可见析出相的种类与合金元素相关;而在LPBF-G10K中发现β1-Mg3Gd,该成分与本文类似,可见析出相种类与工艺相关。可以预见,通过调控增材制造工艺参数和合金元素成分,可以实现原位沉淀硬化效果的最大化进一步提高增材制造专用镁稀土合金的硬度和强度。

本研究对Mg-Gd-Al-Zr合金在增材制造过程中的相变全过程进行了详细研究,建立了LDED Mg-Gd合金的工艺参数、显微组织和力学性能之间的关系,为增材制造专用镁稀土合金成分和工艺设计提供了实验依据。本研究对于研发新型增材制造专用镁合金材料,进一步形成增材制造镁合金构件的控形控性方法具有重要的指导意义,有望促进增材制造高性能镁稀土合金的开发和应用。

*本文由作者团队涂煜璇博士撰稿,感谢对本文的大力支持。

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