哈工大顶刊丨双尺寸TiC颗粒对电弧增材制造Al-Cu合金延展性和强度的协同增强机制

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文章摘要

哈尔滨工业大学先进焊接国家重点实验室在Composites Part B期刊上发表了关于电弧增材制造技术（WAAM）制造2219 Al-Cu合金的研究。该研究针对WAAM制备的Al-Cu合金中存在的晶界偏析和孔隙缺陷问题，提出了一种创新的解决方法。通过在沉积层表面涂覆含有酒精和TiC颗粒的涂料，成功地将TiC颗粒添加到沉积样品中，从而改善了合金的韧性和强度。研究发现，添加纳米和微米级TiC颗粒可以细化晶粒、促进晶内位错的塑性变形，并提高合金的延展性。与未添加TiC的样品相比，添加TiC的样品在抗拉强度和延伸率上分别提高了51.0%和118%。这项研究为高韧性高强度铝-铜合金的制造提供了一种新的有效方法。

正文

近年来，电弧增材制造技术(WAAM)作为一种快速、高效制造铝铜合金部件的合适技术应运而生，并已应用于制造各种大型结构部件。然而，长期存在的挑战例如，消除晶界偏析和孔隙缺陷构成了waam制造的Al-Cu组件工业应用的瓶颈，这些瓶颈到目前为止还没有完全解决。此外，研究表明，通过优化工艺参数很难解决WAAM打印2219 Al-Cu零件中溶质偏析和柱状晶粒缺陷的相关问题。

基于此，哈尔滨工业大学先进焊接国家重点实验室在知名顶级期刊Composites Part B上发表题目为“Contribution made by double-sized TiC particles addition to the ductility–strength synergy in wire and arc additively manufactured Al–Cu alloys” 的研究论文，针对WAAM制备的2219 Al-Cu合金强度低的问题，许多研究者提出采用逐层锤击或轧制等方法来提高性能。研究通过在沉积层表面涂覆含有酒精和TiC颗粒的涂料，成功地将TiC颗粒添加到沉积样品中 (这是开创性成果)，在使用新型激光-惰性气体混合增材制造技术制备的Al-Cu合金的表征和分析时，旨在通过调查这些复合材料的显微组织演变、凝固动力学和析出物演变，寻找出一种具有改善韧性和强度的复合材料。此论文提到的方法为高韧性高强度铝-铜合金制造提供了一种有效而全新的选择。

图1所示，照片和示意图显示:(a) WAAM装置，(b)颗粒喷涂结果，(c)沉积样品的形貌，(d)拉伸样品的尺寸

图2所示，TiC颗粒的形貌和尺寸分布。微米级TiC颗粒的SEM图像和分布曲线分别如图(a)和(a1)所示。对应的(b)和(b1)为纳米级颗粒的TEM图像和尺寸分布曲线

图3所示，不同质量分数MNDS-TiCps沉积样品的OM图像(反向极图彩色)取向角分布和晶粒尺寸分布: (a) - (a2) 0.3 wt% MNDS-TiCps， (b) - (b2) 0.6 wt% MNDS-TiCps， (c) - (c2) 0.9 wt% MNDS-TiCps， (d) - (d2) 1.2 wt% MNDSTiCps。关键词:CG -柱状晶粒，CEG -粗等轴晶粒，FEG -细等轴晶粒

图4所示，取向偏差角随MNDS-TiCps质量分数的变化曲线

图5 不同质量分数MNDS-TiCps沉积试样的截面显微结构图:(a) - (a2)不含TiCps， (b) - (b2) 0.3 wt% MNDS-TiCps， (c) - (c2) 0.9 wt% MNDS-TiCps。(a) - (c)中白色箭头所圈定区域的元素分布结果分别显示在(d) - (f)中。最后，(c) - (c2)中蓝、黄、红十字对应的EDS结果分别表示在(g) - (i)中

图6所示，不含TiC沉积试样的Al基体和晶界图像:(a)晶界的亮场TEM图像，(b) (a)所示绿色区域的电子衍射图，(c)晶界的HRTEM图像，(d) (c)所示晶界区域的IFFT图像，(e)相为θ″-Al2Cu的粒子的亮场图像，(f)所示(e)所示粒子的电子衍射图

图7所示，用0.9 wt%的MNDS-TiCps沉积试样的Al基体和晶界图像。上排为晶界和Al基体的亮场TEM图像，(c) θ″-Al2Cu相颗粒，(e)纳米tic颗粒。第二行是电子衍射图(b)、(d)和(f)，分别对应于(a)、(c)和(e)中的图像。最后一行为:(g)晶界的HRTEM图像，(h) (g)晶界区域的FFT图像，(i) (g)晶界区域的IFFT图像

图8所示，0.9 wt% MNDS-TiCps沉积样品的晶界附近θ′-Al2Cu颗粒图像:(a)亮场TEM图像，(b) (a)中绿色区域的电子衍射图，(c) θ′-Al2Cu相与Al基体界面的HRTEM图像

图9所示，添加0.9 wt% MNDS-TiCps的样品中Al基体的进一步图像:(a)和(b)是微米级TiC颗粒的亮场TEM图像;(c)和(d)分别是由(a)中描述的绿色和黄色区域产生的电子衍射图;(e)和(f)分别是(a)中划定的绿色和黄色区域的HRTEM图像;(g)为(e)所示图像的HRTEM图像;和(h)表示(g)中纳米TiC颗粒和沉淀物的IFFT图像

图10所示，图9(a)和(g)中STEM-EDS的图像分别呈现在(a)和(b)中

图11所示，使用不同质量分数的MNDS-TiCps沉积的样品获得二维显微硬度图，即:(a) 0.3 wt%， (b) 0.9 wt%

图12所示，不同质量分数的MNDS-TiCps沉积的2219 Al-Cu试样的力学性能显示:(a)拉伸应力-应变曲线，(b) UTS和EL值

图13所示，TiC颗粒速度和颗粒分布特征:(a)宏观TiC颗粒的Vma-cr与半径图，(a1)突出TiC颗粒分布的SEM图像，(b)介观TiC颗粒的Vmi-cr与半径图，(b1)颗粒内TiC颗粒分布的HRTEM图像

图14所示，沉积样品的晶粒细化和沉淀演化。不含TiC时的行为如图(a)所示。其他图与含有0.9 wt% MNDS-TiCps的样品有关，并突出了(b)内层带和(c)层间带的行为

图15所示，(a)含TiC或不含TiC沉积试样的DSC曲线，(b)相应的二元相图

图16所示，在两个不同的拉伸试样中产生的拉伸断裂的SEM显微照片 (a)和(b)中的图像与0.3 wt% MNDS-TiCps沉积的样品有关，并分别沿着扫描方向和沉积方向给出了样品的总体视图。(a1) - (b2)中的图像分别显示了(a)和(b)中所示图像的细节。(c)和(d)中的图像涉及0.9 wt%的MNDS-TiCps样品(分别沿着扫描方向和沉积方向)。与前面一样，(c1) - (d2)突出显示(c)和(d)中图像的细节

图17 (a)添加0.3 wt% MNDS-TiCps和(b) 0.9 wt% MNDS-TiCps的试样沿断裂方向的裂纹扩展路径

添加TiC颗粒和纳米颗粒可以显著改善铝-铜合金的微观结构，并提高合金的延展性和强度。主要研究结论如下：

1.添加纳米和微米级碳化钛（TiC）颗粒可以改善铝-铜合金的微观结构，并细化晶粒。纳米和微米级TiC颗粒主要分布在晶粒内部，有助于晶粒细化。而微米级颗粒更容易被排斥到晶界，从而抑制晶界迁移。

2.添加纳米级颗粒有助于调控结晶过程。在TiC/铝界面上发生异质成核时，减少了异质成核过程的激活能，促进了纳米晶体的形成。

3. 纳米颗粒的存在引入了晶格失配，降低了铝/ TiC界面上铜扩散的激活自由能。系统的较低自由能还消除了因能量波动而导致的沉淀物溶解的风险。纳米沉淀物均匀分布在晶粒内部。

4. 添加TiC颗粒和纳米颗粒有助于提高合金的延展性。晶界的相干界面以及沉淀物和纳米颗粒的存在促进了晶内位错的塑性变形。与不含TiC的试样相比，最高的抗拉强度和延伸率分别增加了51.0%和118%。

5. 强化机制主要包括晶界强化、Orowan强化和沉淀强化。晶界强化和Orowan强化的贡献可以通过实验数据进行估算，分别为9.93 MPa和79.8 MPa。沉淀强化的贡献可以通过Orowan环机制进行估算。

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2024-03-26