首页/文章/ 详情

西工大林鑫教授团队顶刊丨基于原位高速重熔策略的激光增材制造铝合金强-塑性突破!

1月前浏览1506
点击关注·聚焦3D打印技术👆      

           
         

         

         

         
近期,题目为“Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting” 的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文第一作者为西北工业大学材料学院博士生史硕晴,通讯作者为林鑫教授、赵宇凡教授以及杨海欧副研究员,第一通讯单位为西北工业大学凝固技术国家重点实验室。            
           


增材制造技术的出现给现代工业带来了深刻变革,但目前铝合金的制备面临两大困境:一方面,高强铝合金的增材制造可加工性较差;另一方面,铸造铝合金虽然成形性优异,但难以突破中-高强度性能范围,严重制约了其在极端服役环境下的应用。为此,研究者尝试各种方法来解决这些难题:施加磁场/超声场等辅助场;采用多种热处理制度来调控微观组织;甚至添加昂贵的稀土元素来达到晶粒等轴化以及析出强化相的目的。虽然这些努力使得组织-性能得到一定改善,但研发成本较高。因此,建立一种工艺简单、可靠性强、成本低廉的方法来提升综合力学性能,成为具有挑战的科研议题


近期,西北工业大学林鑫教授团队在深刻理解快速凝固理论的基础上,充分发挥激光增材制造的极端工艺条件,以最为常见且价格低廉的AlSi10Mg合金为对象,开发出一种原位高速重熔策略(HSSR),使得晶粒发生显著的柱状晶→等轴晶转变(CET),同时获得更加细化的晶内胞状亚结构,提高了Al基体中纳米析出相的体积分数,实现了增材制造铝合金的强-塑性突破。制备出的铝合金试样具有优异的表面光洁度以及内部冶金质量;屈服强度为279.5 ± 2.3 MPa,抗拉强度为496.1 ± 5.8 MPa,断裂延伸率为21.4 ± 0.9%,综合拉伸性能在目前已知的所有增材制造铝硅合金及复材中表现最为优异。相关工作以题为“Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting” 的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文第一作者为西北工业大学材料学院博士生史硕晴,通讯作者为林鑫教授、赵宇凡教授以及杨海欧副研究员,第一通讯单位为西北工业大学凝固技术国家重点实验室。


在本工作中,对常规激光选区熔化(LPBF)试样以及高速重熔策略(HSSR)试样进行了对比研究。通过微观组织分析可知(图1),非重熔LPBF试样具有强烈的 <100> 织构,Al基体内部析出相不显著。相比之下,HSSR试样的熔池区域边界不明显;等轴晶比例显著提升,呈现出柱状晶-等轴晶混合形态,并且GND更多的分布在熔池内部。HSSR策略后,晶粒的 [001] 取向被削弱,各向异性程度显著降低;晶内胞状亚结构的等轴化趋势加强;且Al基体内部弥散分布大量的纳米析出颗粒。通过分布直方图统计数据可知,HSSR策略促进了晶粒以及晶内胞状亚结构的细化和等轴化。注公 众号: 增材制造硕博联盟,免费获取海量增材资料,聚焦增材制造研究与工程应用!

           
图1 沉积试样的微观组织。(a-a2)(i-i2)带对比度、反极图和GND分布图;(b)(j)分别对应(a1)(i1)的极图;(c-d)(k-l)晶粒等效直径和长宽比;(e-f)(m-n)胞状亚结构的SEM图像以及长宽比分布图;(g-h)(o-p)Al基体内部析出相的SEM图像以及尺寸分布图。              
对两组试样进行了室温拉伸(图2)。与常规的LPBF试样相比,HSSR试样的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别提升了27.3%,22.5%和103.8%。对比图中列举了增材制造外加辅助场、后续热处理、常规重熔、添加强化颗粒等不同工艺条件下AlSi10Mg合金,以及添加稀土元素改性的高强铝合金的拉伸性能。可知,利用HSSR策略,合金的断裂强度和延伸率同时显著提升,在目前已知数据中表现最为突出。通过对加工硬化指数的进一步分析可知,HSSR策略试样具有显著的加工硬化能力,且随着拉伸应变的不断提升,加工硬化指数逐渐升高,从而可以获得优异的拉伸强度。
           

图2 轴向拉伸性能。(a)典型工程应力-应变曲线;(b)轴向拉伸强度-断裂延伸率性能对比图;(c)真应力/加工硬化率-真应变曲线;(d)不同应变阶段下的加工硬化指数。

本研究创造性提出的原位高速重熔策略(HSSR),是一种简单易行、稳定可靠、成本低廉的调控手段。HSSR策略促进了晶粒以及晶内胞状亚结构的细化和等轴化。通过较硬等轴晶和较软柱状晶间协调变形,有效缓解了熔池边界的应变局部化,延迟了脱粘,提升了试样延展性;同时晶粒及晶内胞状亚结构的细化、以及Al基体内纳米析出相比例提升,有效改善了加工硬化能力,使拉伸强度提升。这一成果不仅使得增材制造铝硅合金获得了前所未有的拉伸性能,还有望为增材制造其他类型合金的性能提升开辟一条新的技术途径,具有巨大工程应用潜力

           

关注我们, 万物皆可3D打印

           


来源:增材制造硕博联盟
断裂航空航天冶金增材铸造理论材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-09-15
最近编辑:1月前
增材制造博硕联盟
硕士 聚焦增材制造科研与工程应用,致...
获赞 118粉丝 66文章 527课程 0
点赞
收藏
作者推荐

华南理工杨永强教授顶刊丨激光增材制造技术进展与前沿

点击关注·聚焦3D打印技术👆 增材制造(快速成形)技术已在我国发展 30 余年,为向全球学者介绍中国的研究成果,在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 执行主编李涤尘教授的带领下,组织策划了“中国增材制造 30 年发展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China),通过十余个国内增材制造领域的代表性团队的高质量论文,向大家介绍过去 30年来我国增材制造技术的发展历程、主要研究成果以及未来发展趋势。激光增材制造是目前的主流金属增材制造技术之一,主要包括激光选区熔化和激光定向能量沉积技术。由于激光束光斑尺寸小、能量密度高及热影响区小,该技术能保证高致密、高性能精细复杂零件成形,在航空航天、工业模具和生物医疗等领域得到了广泛的应用。目前,激光增材制造技术仍存在以下突出问题:(1)激光选区熔化装备成形尺寸仍然受到限制;(2)三维异质材料成形控制精度低、技术不成熟;(3)激光增材制造零件表面精度仍需进一步提高;(4)单一激光能量场的增材制造零件存在应力大、缺陷不易消除、组织不均匀等问题;(5)成形性能一致性、过程稳定性、以及工艺可重复性亟待提高。本文提供了激光增材制造技术在未来的潜在发展方向:(1)由单一激光器向多波长(红光与蓝光、绿光相结合)/类型(连续激光与皮秒、飞秒激光相结合)/数量激光器发展,实现大尺寸、高效率、高精度增材制造;(2)由低效率、低连接质量多材料增材制造向高效率、高强度多材料增材制造发展,通过改进现有铺粉方式、设计界面连接结构等手段,实现高效率、高强度且粉末不易交叉污染的多材料增材制造;(3)由在线监测向在线监控发展,建立声、光、热、磁等在线监测信号与打印质量的有效评价体系,为在线监控的实现提供关键判据;(4)开发定制化软件解决方案,解决上述及其余复杂工艺成形中路径规划等问题。 Fig. 1. Overview of the frontier progress in LAM techniques developed by our research group Fig. 2. Schematic of the large-scale LPBF technique Fig. 3. Schematic of the blade-based multi-material LPBF technique Fig. 4. LDED-based additive/subtractive hybrid manufacturing techniques Fig. 5. Schematic of off-coaxial monitoring for LPBF process论文引用: Yongqiang Yang, Renwu Jiang, Changjun Han, Jiaqi Chen, Haoran Li, Yan Wang, Jinrong Tang, Heng Zhou, Weinan Hu, Boyuan Zheng, Zixin Liu, Changhui Song, Di Wang. Frontiers in Laser Additive Manufacturing Technology. Additive Manufacturing Frontiers, 2024, 200160. 原文链接: https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200160 近年团队发表文章 [1] Xiao Yunmian, Yang Yongqiang, Wang Di, et al. In-situ synthesis of spatial heterostructure Ti composites by laser powder bed fusion to overcome the strength and plasticity trade-off, International Journal of Machine Tools and Manufacture 2024; 196, 104117, ISSN 0890-6955. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104117 [2] Zheng Boyuan, Trofimov Vyacheslav, Wang Di, et al. Study on additive and subtractive manufacturing of high-quality surface parts enabled by picosecond laser. Journal of Materials Processing Technology 2023; 318: 118013. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118013 [3] Dong Zhi, Han Changjun, et al. Role of heterogenous microstructure and deformation behavior in achieving superior strength-ductility synergy in pure zinc fabricated via laser powder bed fusion. International Journal of Extremely Manufacturing 2024; 6: 045003. https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad3929. [4] Wang Di, Liu Linqing, Han Changjun, et al. Recent progress on additive manufacturing of multi-material structures with laser powder bed fusion. Virtual and Physical Prototying 2022; 17(2): 329-65. https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2028343 [5] 王迪, 邓国威, 杨永强, 等. 金属异质材料增材制造研究进展[J]. 机械工程学报, 2021, 57(01): 186-198. [6] Wu Shibiao, Yang Yongqiang, et al. Study on powder particle behavior in powder spreading with discrete element method and its critical implications for binder jetting additive manufacturing processes. Virtual and Physical Prototyping 2023; 18(1): e2158877. https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2158877 [7] Xiao Yunmian, Song Changhui, et al. In-situ additive manufacturing of high strength yet ductility titanium composites with gradient layered structure using N2. International Journal of Extreme Manufacturing 2024; 6(3). https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad2602. [8] Dong Zhi, Han Changjun et al. Revealing anisotropic mechanisms in mechanical and degradation properties of zinc fabricated by laser powder bed fusion additive manufacturing. Journal of Materials Science &amp; Technology 2024. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.045. [9] Song Changhui, et al. Radial gradient design enabling additively manufactured low-modulus gyroid tantalum structures. International Journal of Mechanical Sciences 2023; 108710. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108710 [10] 杨永强, 蒋仁武, 刘子欣, 等. 大尺寸粉末床激光熔融流场分析及在线监控研究进展[J].机械工程学报, 2023, 59(19): 389-410. 来源:增材制造硕博联盟

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈