哈工大顶刊丨激光粉末床熔融增材制造过程热裂纹演化及形成机制

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激光粉末床熔融打印2195铝锂合金热裂纹演化及形成机制

激光粉末床熔化（LPBF）制备的铝锂合金具有显著优点，具有巨大的工业应用潜力。然而，加入锂而导致的高热裂纹敏感性（HCS）仍然是限制其工业应用快速发展的关键因素。

近日，哈尔滨工业大学吴世博等人采用三维（3D）X射线显微断层成像技术研究了LPBF工艺制备的2195铝锂合金的热裂纹行为。相关研究成果以“Hot cracking evolution andformation mechanism in 2195 Al-Li alloy printed by laser powder bed fusion”为题，发表在增材制造顶刊《Additive Manufacturing》上。

Graphical Abstract

该文章通过实验和理论计算相结合的方法，阐明了LPBF处理2195铝锂合金的热裂纹机理。全面讨论了热裂纹的萌生、扩展和止裂过程，对指导工艺优化具有重要意义。

哈尔滨工业大学吴世博等人首次建立了显微组织演变与高HCS之间的关系，揭示了热裂机理。X射线断层扫描的观察结果显示，打印样本中有一个3D网状结构的大型互连裂缝，沿着建筑方向从之前单轨中的层状裂缝逐层延伸。研究发现，导致热裂纹的原因是稳定的液膜和应力集中。Al6CuLi3和α-Al基体之间的偏析有助于沿大角度晶界形成以晶间液膜形式存在的Al-Cu共晶。此外，还发现Al2Cu和相邻LiAlSi或AlCuMgAg之间的界面层（枝晶内液膜）在晶粒内部表现出降低的微裂纹抗力。计算结果表明，晶界液膜的稳定性越高，晶界处的HCS越高。此外，较高的内部残余拉应力为裂纹的萌生和扩展提供了驱动力。总之，这项工作为优化LPBF生产的高质量铝锂合金的粉末成分和加工步骤提供了实用指南。

Li和Cu的加入显著增加了Al-Li合金的热裂纹敏感性（HCS）。通过调整工艺参数来优化激光加工性能是制造无裂纹铝锂组件的重要一步。因此，进行了一系列单轨实验，系统地研究了这些工艺参数的影响。单轨实验结果将工艺参数窗口缩小到低激光功率和低扫描速度。根据本文中的热裂机理，可以通过降低 LPBF 凝固过程最后阶段的冷却速度和凝固速度来抑制裂纹。因此，通过将基板在 150℃ 预热并将扫描速度降低到 100 mm/s，激光功率为200 W，成功制备出无裂纹样品，有利于降低温度梯度，延长熔池寿命，防止热裂。

▲图1 单轨扫描工艺参数窗口的优化:(a)-(d)典型单轨样品的表面形貌(e)从高通量单轨扫描获得的参数优化图

▲图2 密度分析：(a)-(d)典型横截面OM图像和；(e)能量密度对相对密度的影响

锂的存在延长了LPBF期间的凝固温度范围（STR）。研究发现，LPBF的凝固过程取决于冷却速度，快速冷却速度会导致结晶方向<100>的粗柱状晶粒（垂直于MPB），在经过LPBF处理的立方样品中，树枝状衬底上发生柱状外延生长成核。值得注意的是，在LPBF期间，大的STR也会增强HCS。为了确定LPBF处理样品的沉淀相，如图所示，在印刷样品的所有XRD图谱中检测到α-Al基体和T2（Al6CuLi3）。

▲图3 立方样品的SEM图像：（a）-（c）逐渐放大微观结构的BSE视图

▲图4 XRD图谱:(a)粉末和印刷样品；(b)b 区放大图；(c)c区放大图

锂的元素分布不能由EDS或WDS直接检测。因此，TEM观察在锂基沉淀表征中起着重要作用，涉及沉淀结构和化学成分。在Al-Cu-Li合金中，在直接凝固合金和峰值时效或过时效合金中，T2相倾向于在HAGBs处形成，其形成能力主要取决于合金成分和冷却速度。

▲图5 准晶T2相的相识别:(a)网络分布中粗GB相的BSE显微照片；(b)EDS分析结果；(c)准晶相的TEM形态；(d)具有典型五重对称性的SAD图案；(e)HRTEM图像

▲图6 使用TEM进行元素分布和相位识别：（a）TEM亮场显微照片；（b-f）Al、Cu、Si、Ag和Mg的EDS映射；（g）a区放大图像；（h、i）区域a和b的相应SAD图案的放大图像；（j）δ´/β´的形态，（k）δ´/β´的相应SAD图案；（l）沿<100>带轴的标准衍射图案

在目前的情况下，沿晶区发生的Cu和Li的严重偏析是形成二十面体相的成分范围的原因。LPBF过程中的快速凝固特性为沿GBs形成粗二十面体相提供了驱动力。同时，T 2相的形成抑制了其他相的形成，例如θ相。除了作为凝固反应产物的T2相外，晶间区周围溶质的偏析也有助于快速凝固期间GBs处的低熔点Al-Cu共晶。

▲图7 LPBF处理样品的热裂纹行为:(a)整个试样的典型XRM切片；(b)孔隙和裂纹的宏观分布；(c，d)网状大互连裂纹的3D图像；(e，f)沿GBs的典型初始晶间表面断裂；(g)晶粒内的条纹状界面微裂纹

▲图8 EBSD结果分析LPBF处理的铝锂合金纵截面上的GBs：(a）IPF图像；（b）HAGBs和LAGBs的GB分布图；(c)显示应变集中的KAM图；(d)晶粒尺寸分布；(e)沿裂纹扩展路径的错向角；(f)错向角分布

▲图9 在P=200 W和v=100 mm/s时，LPBF中温度场和应力场的模拟结果：（a）温度场；（b）实验验证；（c）计算P1处的X分量热应力；（d）X分量残余应力分布

热裂纹主要沿晶间区域及其周围产生，在之前的工作中，已经发现在合金中观察到较为严重失效，其中大部分GBs被薄膜状共晶相覆盖。因此，沿晶界交替出现的粗T2相和薄膜状Al-Cu共晶相增加了制备的Al-Li合金样品的晶间HCS。当裂纹在应力集中的驱动下沿GB区萌生时，相互连接的析出物将通过晶间裂纹溶解。最终，可能会出现更复杂、更规则的晶间裂纹路径，并沿建筑方向延伸，表明与晶粒内部的情况相比，裂纹扩展阻力显著降低。

▲图10 结晶和元素互扩散过程的示意图：（a）α-Al液相形核；（b）T相形核；（c）MgAgCuSi团簇、Ω相、θ′-相枝晶内形核和T2相晶间形核；（d）离异共晶形成和晶间裂纹萌生；（e）-（h）强调涉及最复杂情况与时间的枝晶内沉淀演变顺序

▲图11 裂纹萌生和扩展过程示意图：（a）拉伸应力作用下撕裂液膜导致的裂纹萌生；（b）裂纹沿GBs扩展；（c）裂纹扩展至FGZ或沿枝晶生长方向连续裂纹扩展时的裂纹止裂；（d）倾向于会聚在一起的裂纹，导致具有3D网状结构的大型互联裂纹

论文引用格式：

Shibo Wu, Zhenglong Lei, Bingwei Li, Jingwei Liang andYanbin Chen, Hot cracking evolution and formation mechanism in 2195 Al-Li alloyprinted by laser powder bed fusion, Additive Manufacturing, 2022, 54: 102762.

原文下载链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102762

来源：增材制造硕博联盟