新型選區激光熔化高強Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金組織與性能研究

張 帥，龍建周，王 剛，張晨陽

（安徽工程大學 材料科學與工程學院，安徽 241000）

鋁合金材料質量輕、比強度高、耐蝕性好,廣泛應用于航空、航天、汽車等領域[1]。近年來,新型鋁合金零件結構日趨復雜,難以通過傳統的鍛壓或鑄造方法加工成型。借助逐層堆積成型的原理,增材制造技術為制造結構復雜零部件提供了新的途徑,尤其是選區激光熔化技術。選區激光熔化鋁合金成型技術獲得了廣泛的關注。目前選區激光熔化成型技術已成功應用于Al-Si合金的成型中,制備出基本致密、無缺陷的SL M Al-Si合金,包括Al-10Si-Mg、Al-12Si-Mg等[2-5]。然而,Al-Si合金屈服強度僅約200 MPa,均勻延伸率僅約5%,無法應用于承受重載荷的零部件[3]。開發適用于選區激光熔化成型的高強鋁合金是材料領域關注的方向之一。

研究發現高強鋁合金選區激光熔化成型后,內部容易出現制備缺陷,最典型的缺陷為熱裂紋[6]。熱裂紋往往在柱狀晶之間形成,連續的延伸跨越數個打印層,使得鋁合金拉伸變形時發生過早斷裂,表現出較差的拉伸性能[7-9]。例如,選區激光熔化2024鋁合金內部熱裂紋長度達到幾十微米,導致其屈服強度σs和均勻延伸率εu僅為(180±13)MPa和(2.7±0.7)%,遠低于鍛造2024鋁合金(σs ＝393 MPa,εu＝10%)[10]。提升鋁合金強度的同時,避免產生熱裂紋,是開發高強度選區激光熔化高強鋁合金的必然途徑。合金元素調控是消除選區激光熔化高強鋁合金內部缺陷的有效措施[4,11-13],Sc元素通過促進異質形核,促使柱狀晶轉變為等軸晶,有助于消除熱裂紋缺陷。選區激光熔化已制備出基本無缺陷的Al-Mg-Sc-Zr(4 wt.% Mg)合金,屈服強度300 MPa,成為典型的選區激光熔化鋁合金材料之一[14],但其強度與傳統高強鋁合金仍有一定的差距。多種合金元素對鋁合金的強化具有明顯的促進作用,Mg是鋁合金中常用的固溶強化元素,Zn元素通過沉淀析出相促使強度提升[15]。但Mg、Zn等元素添加后,材料成分復雜化,容易出現凝固裂紋。Si元素可提高液態金屬流動性,抑制凝固裂紋的產生[16]。Sistiaga等[16]將Si顆粒與Al-Zn-Mg-Cu合金粉末混合,通過形成共晶,降低凝固溫度范圍,消除了Al合金中的熱裂紋。

本文在典型的Al-Mg-Sc-Zr(Mg:4 wt.%,Sc:0.55 wt.%,Zr:0.26 wt.%)的基礎上,添加Mg、Zn元素提高材料強度,添加Si元素抑制熱裂紋的產生,開發出新型Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr鋁合金。選區激光熔化Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr內部無裂紋,抗拉強度和均勻延伸率達到513.1 MPa和12.2%,為選區激光熔化高強度鋁合金的應用提供了一定的試驗依據。

1 試驗方法

本研究使用的粉末成分如表1所示。粉末粒徑為15～53μm。選區激光熔化在Sol ution SL M 125上進行,選區激光熔化成型示意圖如圖1a所示。激光束斑直徑為120μm,激光功率為370 W,激光掃描速度為540～1500 mm/s,激光掃描間距100μm,層厚30μm,層間轉角67°,基板預熱溫度100℃,保護性氣氛為Ar氣。制備尺寸為15×15×15 mm3的立方塊體樣品。

圖1 選區激光熔化成型示意圖和拉伸樣品結構尺寸圖

表1 合金粉末成分含量(wt.%)

采用DK-777電火花線切割機制備掃描電鏡、透射電鏡、X 射線衍射及單向拉伸實驗等所需的樣品。樣品切割后采用研磨+機械拋光進行初步處理。X 射線衍射在Br uker D8 Focu X 射線衍射儀上進行,掃描速度3°/min,步長0.02°。采用電化學拋光方法制備掃描電子顯微鏡樣品,拋光液為10 vol.% HCl O4+90 vol.%乙醇,拋光電壓為16 V,拋光時間為20 s。采用Nova NanoSEM 430掃描電子顯微鏡進行微觀結構表征。

高倍微觀結構表征及高分辨在FEI Tecnai G2 F20透射電子顯微鏡上進行,加速電壓200 KV。透射電鏡樣品機械研磨、拋光至60μm,使用離子減薄(Gatan 691)方法制備薄膜樣品,減薄過程中采用液氮冷卻。該透射電子顯微鏡配備有能量色散譜儀(Ener gy Dispersive Spectr o meter,EDS)附件和高角環形暗場附件,采集合金元素分布圖像和高角環形暗場像。利用Image J軟件和截線法統計樣品晶粒尺寸,統計晶粒數目不少于300個。

利用島津AGS-1 KNJ拉伸機進行單向拉伸實驗,拉伸過程中采用數字圖像校正技術實時采集樣品應變信息,有關數字圖像校正裝置及參數的信息參考文獻[17] 。拉伸實驗在室溫條件下進行,應變速率為10-3/s。采用狗骨形狀拉伸樣品,樣品標距段截面為(1.2×1)mm2,標距長度3 mm,如圖1b所示。每種狀態的樣品均制備和測試4個拉伸試樣。

2 結果與討論

制備態Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金單向拉伸工程應力應變曲線及拉伸性能隨激光掃描速度的變化規律如圖2所示。由圖2可知,拉伸變形過程中,Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr經過初始快速彈性變形后,隨即進入加工硬化階段,流變應力隨應變逐漸增大,直至出現頸縮(見圖2a)。加工硬化階段,應力應變曲線出現鋸齒狀特征,這可能是合金中的Mg元素引起的。變形過程中,Mg原子向位錯應力場區擴散,對運動中的位錯產生釘扎作用,導致流變應力增大,當流變應力超過Mg引起的釘扎應力時,位錯擺脫釘扎,導致所需的流變應力迅速降低,直到Mg原子再次大量擴散到位錯附近,釘扎位錯,使得應力應變曲線表現出周期性的鋸齒狀特征[18]。

圖2 Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金應力應變曲線和抗拉強度-均勻延伸率隨激光掃描速度變化圖

隨著激光掃描速度的增大,Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金抗拉強度和均勻延伸率先增大后減小。掃描速度為650 mm/s時,抗拉強度達到最大值513.1 MPa,對應的均勻延伸率為12.2%。

選區激光熔化Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金抗拉強度和均勻延伸率關系如圖3所示。一般來說,金屬材料微觀結構的變化往往引起強度和塑性產生相反的變化趨勢,即著名的強塑性倒置關系[19]。以廣泛研究的Al-Mg-Sc-Zr合金為例,選區激光熔化制備態時,其強度約300 MPa,均勻延伸率達到20%[13]。熱處理后,其強度明顯提高,達到450 MPa,但均勻延伸率降低到僅約5%[20]。添加Mg、Zn、Si元素后,選區激光熔化Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr屈服強度提升到395～428 MPa,同時保持有較好的均勻延伸率(9%～13.6%)。相比于Al-Mg-Sc-Zr合金強度明顯提升的同時,未明顯損失其塑性,實現了較好的強塑性匹配。本研究中,新型Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金強塑性匹配性顯著超過廣泛研究的Al-Mg-Sc-Zr[21-23]、Al-Cu[24-25]、Al-Mn[26]合金,展現出良好的工程應用前景。

圖3 選區激光熔化Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr抗拉強度與均勻延伸率關系圖

650 mm/s掃描速度下的選區激光熔化Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr樣品微觀結構掃描圖如圖4所示。制備態樣品表現出熔池結構(見圖4a),單個熔池寬度約150μm,深度約55μm,遠超過激光掃描間距(100μm)和層厚(30μm),有利于實現良好的層內和層間結合。高倍掃描圖像顯示熔池邊界為細小的等軸晶和熔池內部的粗大的柱狀晶(見圖4b)。細晶區晶粒尺寸約為600 n m。柱狀晶水平寬度約為3μm,高度貫穿整個熔池內部,體積分數約為60%,且晶內存在著第二相將柱狀晶分割(見圖4d)。

圖4 Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金(650 mm/s掃描速度下)微觀結構掃描電子顯微鏡圖像

650 mm/s掃描速度下的選區激光熔化Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金X 射線衍射圖如圖5所示。由圖5可知,X 射線衍射圖中表現出兩套衍射峰。對比標準衍射卡發現,高強度的衍射峰為基體Al,強度較弱的衍射峰為Mg2Si。Mg2Si衍射峰(111)、(200)、(220)、(400)、(422)向高角度偏移,可能是由于摻雜一定量的Zn原子引起的。由于Zn的原子半徑較小,從而引起整個衍射峰向高角度偏移。XRD 衍射峰強度取決于相的含量[27],估算Mg2Si含量＜1%。

圖5 Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr的X 射線衍射圖

等軸晶區微觀結構透射電鏡圖像如圖6所示。等軸晶區主要為亞微米等軸晶,等軸晶粒內部清晰,晶界清晰明銳,統計表明晶粒尺寸約600 n m(見圖6a)。HAADF圖像表明該區存在兩種第二相(見圖6b)。第一種相(圖6b中黑色箭頭所示)分布于晶界,呈橢圓狀或棒狀,寬度約100 n m。第二種相(見圖6b中白色箭頭所示)彌散分布于晶內,尺寸約幾十納米。EDS元素面分布圖像顯示晶界處第二相富含Mg、Si兩種元素,晶內彌散相富含Sc、Zr兩種元素,其他區域各種元素基本均勻分布(見圖6b)。結合XRD 結果可知,晶界處的Mg-Si相即為Mg2Si。Si和Mg之間有很強的鍵合能,當加入Si為時,Si和Mg原子相互鍵合[28],可能是形成Mg2Si的主要原因。

圖6 Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr(650 mm/s掃描速度下)細晶區微觀結構透射電鏡圖像

透射電鏡高分辨圖像及對應的傅里葉變換表明晶內灰白色彌散相(如圖6b中白色箭頭所示)具有與α-Al基體共格的L12結構(圖6c)。結合文獻報導可知,該晶內彌散相是Al3(Sc、Zr)[12,28-29]。凝固過程中,Al3(Sc、Zr)作為形核質點,促使Al晶粒的異質形核,形成熔池邊界附近的等軸晶區,這些分散的沉淀物在抑制裂紋和強度提升方面起著重要作用[6,29]。Al-Sc凝固過程中,Al3Sc顆粒首先析出[28]。由于FCC 鋁和Al3(Sc、Zr)之間的結構相似性以及小的晶格參數失配,這些顆粒是非常有效的異質形核點。在高冷卻速率下,在共晶溫度時Sc 在 Al 中的固體溶解度約為0.35 wt.%[30],本研究中使用了0.51 wt.%Sc,因此可以將該合金視為過共晶合金,在凝固過程中會形成更多的初級Al3(Sc、Zr)顆粒,從而使得鋁合金晶粒顯著細化。

柱狀晶區微觀結構透射電鏡圖像如圖7所示。柱狀晶內部含有的長條狀第二相,其形貌及尺寸與等軸晶區晶界上的第二相相似(見圖6b),第二相將粗大的柱狀晶分割成亞晶粒。高角環形暗場像和EDS結果表明,長條狀的第二相富含Mg、Si元素(見圖7d～e),與等軸晶區晶界相類似,其他元素則均勻的分布在整個面內。Mg、Si元素在Al中的溶解度較低,過剩的Mg、Si原子會偏聚在枝晶間,形成Mg-Si相[14]。Mg-Si相可以有效阻礙位錯運動,引起位錯塞積,可以進一步提升材料的強度。

圖7 Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr(650 mm/s掃描速度下)柱狀晶區微觀結構透射電鏡圖像

在掃描電鏡觀察的所有樣品中,未觀察到明顯的熱裂紋缺陷,可能的原因包括兩個方面:①Sc和Zr會形成Al3(Sc、Zr)顆粒在SL M 成型樣品過程中,大量的Al3(Sc、Zr)顆粒從Al基質晶粒中析出,然后充當晶核,用于Al基體晶粒的生長,從而使得鋁合金晶粒顯著細化抑制熱裂紋的形成;②Si元素的添加提高液態合金流動性,降低裂紋敏感性,有助于抑制缺陷的形成。

通過向Al-Mg-Sc-Zr(4 wt.% Mg)中加入Mg、Zn、Si元素,本研究中制備了無缺陷的新型Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金。微觀結構分析表明加入后的3種元素主要以Mg2Si、固溶態Mg和固溶態Zn存在。固溶態Mg和Zn可以對Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金產生固溶強化,而Si在Al中的溶解度僅為0.05 wt.%,其固溶強化效果可以忽略不計。與Al-Mg-Sc-Zr(4 wt.% Mg)相比,Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金中Mg元素額外固溶強化可以通過下式給出[31]:

式中,H Mg和n是常數,H Mg ＝13.8 MPa/(wt.% Mg),n ＝1[32-33],ΔCMg是固溶態Mg的增加量。相比于Al-Mg-Sc-Zr(4 wt.% Mg),Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金ΔCMg約3%,因而產生的固溶強化約為42 MPa。

Zn的半徑大致等于Al的半徑,Zn在Al基體中具有很高的溶解度(82.8 wt.%)[34],所有Zn都以固溶體形式存在于α-Al基體中。研究表明,Zn含量為0～3 wt.%時,Zn含量每增加0.5 wt.%,Al基體中產生的固溶強化效果約為10 MPa[34],考慮到Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金中Zn含量為0.54 wt.%,Zn固溶強化效果約為11 MPa。

拉伸時,位錯在晶粒中滑動,直至到達有阻礙的晶界,而在Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr中,粗柱狀晶被β-Mg2Si分成亞晶粒,本研究中額外的強化則來自于亞晶界形成的位錯屏障(見圖7b)。亞晶界的強化可以通過Hall-Petch公式來計算[31]:

式中,σ0是晶格對位錯運動的摩擦應力;k是常數系數。σ0和k通常表示10 MPa和0.14～MN/。

假設Al-Mg-Sc-Zr和Al-Mg-Si-Sc-Zr中柱狀晶粒的體積分數大致相同,則額外的強化Δσy可以通過以下公式進行計算:

式中,Vc,ds和dc分別是柱狀晶的體積分數,亞晶粒尺寸和柱狀晶粒尺寸。已知柱狀晶和亞晶粒尺寸(dc ＝3μm,ds ＝450 n m),額外增強56 MPa。

根據上述研究SL M 成型Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金的顯微組織與力學性能,其強化機制主要來源于細晶強化,以及Mg、Zn的固溶強化和Al3(Sc,Zr)沉淀強化。此外,加入Mg和Si可以得到更高的抗拉強度,其強化來自于其獨特的微觀結構特征,包括Mg和Si的固體溶質和β-Mg2Si對粗柱狀晶的細化,以上強化效果共計109 MPa,與實際增強效果接近。

3 結論

本研究通過選區激光熔化技術制備出基本無缺陷的Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金,系統研究該合金材料的拉伸性能和微觀結構,并結合微觀組織分析了其強化機制,為新型選區激光熔化高強鋁合金材料的開發與應用提供試驗依據,可以得到如下結論:

(1)在Al-Mg-Sc-Zr(Mg:4 wt.%,Sc:0.55 wt.%,Zr:0.26 wt.%)基礎上,添加Mg、Zn、Si 3種元素,本研究利用選區激光熔化技術制備了基本無缺陷的Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr(Mg:7.09 wt.%,Si:0.56 wt.%,Zn:0.54 wt.%,Sc:0.51 wt.%,Zr:0.26 wt.%)合金。該合金微觀結構由超細等軸晶和粗大的柱狀晶組成。Si主要以Mg2Si形式存在,其將粗大柱狀晶分割成亞微米尺寸的亞晶粒。Mg和Zn元素主要以固溶態形式存在。

(2)隨激光掃描速度的增大,Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金的抗拉強度和均勻延伸率先增大后減小。激光功率為370 W,激光掃描速度為650 mm/s時,具有最大抗拉強度513.1 MPa,對應的均勻延伸率為12.2%。選區激光熔化Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr合金表現出優異的強塑性匹配性,遠超Al-Mg-Sc-Zr合金。

(3)與Al-Mg-Sc-Zr合金相比,Al-Mg-Si-Zn-Sc-Zr的強度提升了約110 MPa。分析認為Mg元素固溶強化貢獻約42 MPa,Mg2Si的貢獻約56 MPa,Zn的固溶強化貢獻比較有限,僅為11 MPa。