哈工大 l 鐳射粉末床熔融列印2195鋁鋰合金熱裂紋演化及形成機制

鐳射粉末床熔化（LPBF）製備的鋁鋰合金具有顯著優點，具有巨大的工業應用潛力。然而，加入鋰而導致的高熱裂紋敏感性（HCS）仍然是限制其工業應用快速發展的關鍵因素。

近日，哈爾濱工業大學吳世博等人採用三維（3D）X射線顯微斷層成像技術研究了LPBF工藝製備的2195鋁鋰合金的熱裂紋行為。相關研究以“Hot cracking evolution andformation mechanism in 2195 Al-Li alloy printed by laser powder bed fusion”為題，發表在《Additive Manufacturing》。

本期

谷.專欄

將對這一研究成果的核心內容進行分享。

https：//doi。org/10。1016/j。addma。2022。102762

醫用金屬與增材製造前沿

鋁合金系列

3D科學谷白皮書

該文章透過實驗和理論計算相結合的方法，闡明瞭LPBF處理2195鋁鋰合金的熱裂紋機理。全面討論了熱裂紋的萌生、擴充套件和止裂過程，對指導工藝最佳化具有重要意義。

哈爾濱工業大學吳世博等人首次建立了顯微組織演變與高HCS之間的關係，揭示了熱裂機理。X射線斷層掃描的觀察結果顯示，列印樣本中有一個3D網狀結構的大型互連裂縫，沿著建築方向從之前單軌中的層狀裂縫逐層延伸。研究發現，導致熱裂紋的原因是穩定的液膜和應力集中。Al6CuLi3和α-Al基體之間的偏析有助於沿大角度晶界形成以晶間液膜形式存在的Al-Cu共晶。此外，還發現Al2Cu和相鄰LiAlSi或AlCuMgAg之間的介面層（枝晶內液膜）在晶粒內部表現出降低的微裂紋抗力。計算結果表明，晶界液膜的穩定性越高，晶界處的HCS越高。此外，較高的內部殘餘拉應力為裂紋的萌生和擴充套件提供了驅動力。總之，這項工作為最佳化LPBF生產的高質量鋁鋰合金的粉末成分和加工步驟提供了實用指南。

1

Li和Cu的加入顯著增加了Al-Li合金的熱裂紋敏感性（HCS）。透過調整工藝引數來最佳化鐳射加工效能是製造無裂紋鋁鋰元件的重要一步。因此，進行了一系列單軌實驗，系統地研究了這些工藝引數的影響。單軌實驗結果將工藝引數視窗縮小到低鐳射功率和低掃描速度。根據本文中的熱裂機理，可以透過降低 LPBF 凝固過程最後階段的冷卻速度和凝固速度來抑制裂紋。因此，透過將基板在 150℃ 預熱並將掃描速度降低到 100 mm/s，鐳射功率為200 W，成功製備出無裂紋樣品，有利於降低溫度梯度，延長熔池壽命，防止熱裂。

圖1 單軌掃描工藝引數視窗的最佳化：（a）-（d）典型單軌樣品的表面形貌（e）從高通量單軌掃描獲得的引數最佳化圖

圖2 密度分析：（a）-（d）典型橫截面OM影象和；（e）能量密度對相對密度的影響

2

鋰的存在延長了LPBF期間的凝固溫度範圍（STR）。研究發現，LPBF的凝固過程取決於冷卻速度，快速冷卻速度會導致結晶方向<100>的粗柱狀晶粒（垂直於MPB），在經過LPBF處理的立方樣品中，樹枝狀襯底上發生柱狀外延生長成核。值得注意的是，在LPBF期間，大的STR也會增強HCS。為了確定LPBF處理樣品的沉澱相，如圖所示，在印刷樣品的所有XRD圖譜中檢測到α-Al基體和T2（Al6CuLi3）。

圖3 立方樣品的SEM影象：（a）-（c）逐漸放大微觀結構的BSE檢視

圖4 XRD圖譜：（a）粉末和印刷樣品；（b）b 區放大圖；（c）c區放大圖

3

鋰的元素分佈不能由EDS或WDS直接檢測。因此，TEM觀察在鋰基沉澱表徵中起著重要作用，涉及沉澱結構和化學成分。在Al-Cu-Li合金中，在直接凝固合金和峰值時效或過時效合金中，T2相傾向於在HAGBs處形成，其形成能力主要取決於合金成分和冷卻速度。在目前的情況下，沿晶區發生的Cu和Li的嚴重偏析是形成二十面體相的成分範圍的原因。LPBF過程中的快速凝固特性為沿GBs形成粗二十面體相提供了驅動力。同時，T 2相的形成抑制了其他相的形成，例如θ相。除了作為凝固反應產物的T2相外，晶間區周圍溶質的偏析也有助於快速凝固期間GBs處的低熔點Al-Cu共晶。

圖5 準晶T2相的相識別：（a）網路分佈中粗GB相的BSE顯微照片；（b）EDS分析結果；（c）準晶相的TEM形態；（d）具有典型五重對稱性的SAD圖案；（e）HRTEM影象

圖6 使用TEM進行元素分佈和相位識別：（a）TEM亮場顯微照片；（b-f）Al、Cu、Si、Ag和Mg的EDS對映；（g）a區放大影象；（h、i）區域a和b的相應SAD圖案的放大影象；（j）δ/β的形態，（k）δ/β的相應SAD圖案；（l）沿<100>帶軸的標準衍射圖案

圖7 LPBF處理樣品的熱裂紋行為：（a）整個試樣的典型XRM切片；（b）孔隙和裂紋的宏觀分佈；（c，d）網狀大互連裂紋的3D影象；（e，f）沿GBs的典型初始晶間表面斷裂；（g）晶粒內的條紋狀介面微裂紋

圖8 EBSD結果分析LPBF處理的鋁鋰合金縱截面上的GBs：（a）IPF影象；（b）HAGBs和LAGBs的GB分佈圖；（c）顯示應變集中的KAM圖；（d）晶粒尺寸分佈；（e）沿裂紋擴充套件路徑的錯向角；（f）錯向角分佈

圖9 在P=200 W和v=100 mm/s時，LPBF中溫度場和應力場的模擬結果：（a）溫度場；（b）實驗驗證；（c）計算P1處的X分量熱應力；（d）X分量殘餘應力分佈

4

熱裂紋主要沿晶間區域及其周圍產生，在之前的工作中，已經發現在合金中觀察到較為嚴重失效，其中大部分GBs被薄膜狀共晶相覆蓋。因此，沿晶界交替出現的粗T2相和薄膜狀Al-Cu共晶相增加了製備的Al-Li合金樣品的晶間HCS。當裂紋在應力集中的驅動下沿GB區萌生時，相互連線的析出物將透過晶間裂紋溶解。最終，可能會出現更復雜、更規則的晶間裂紋路徑，並沿建築方向延伸，表明與晶粒內部的情況相比，裂紋擴充套件阻力顯著降低。

圖10 結晶和元素互擴散過程的示意圖：（a）α-Al液相形核；（b）T相形核；（c）MgAgCuSi團簇、Ω相、θ′-相枝晶內形核和T2相晶間形核；（d）離異共晶形成和晶間裂紋萌生；（e）-（h）強調涉及最複雜情況與時間的枝晶內沉澱演變順序

圖11 裂紋萌生和擴充套件過程示意圖：（a）拉伸應力作用下撕裂液膜導致的裂紋萌生；（b）裂紋沿GBs擴充套件；（c）裂紋擴充套件至FGZ或沿枝晶生長方向連續裂紋擴充套件時的裂紋止裂；（d）傾向於會聚在一起的裂紋，導致具有3D網狀結構的大型互聯裂紋

知之既深，行之則遠。基於全球範圍內精湛的製造業專家智囊網路，3D科學谷為業界提供全球視角的增材與智慧製造深度觀察。有關增材製造領域的更多分析，請關注3D科學谷釋出的白皮書系列。

原文資訊

：

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： 102762

l 谷專欄 l

網站投稿 l 傳送至2509957133@qq。com