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杭州博華激光技術(shù)有限公司

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激光增材制造高強鋁合金腐蝕行為的各向異性
信息來(lái)源:激光先進(jìn)制造研究院       日  期:2022-09-12

        鋁合金因其高強度和良好的耐腐蝕性而廣泛應用于機械制造、航空航天等領(lǐng)域,但是采用傳統制造方法制備鋁合金存在效率低、成本高和難以制備結構復雜部件等缺點(diǎn),難以滿(mǎn)足現代工業(yè)對服役材料的要求。激光粉末床熔融(LPBF)作為常見(jiàn)的增材制造技術(shù)之一,它利用高能激光束在保護氣氛中完全熔化金屬粉末層,通過(guò)快速凝固及層層構建形成高致密度和高性能的金屬部件。LPBF工藝的高設計自由度、近凈成形制造、高效生產(chǎn)和高原料利用率為制備具有優(yōu)良性能和高實(shí)用價(jià)值的鋁合金提供了新途徑。

      近年來(lái),通過(guò)LPBF工藝制備高強度鋁合金逐漸受到廣泛關(guān)注。借助LPBF工藝的快速加熱和急速冷卻的特點(diǎn),可以實(shí)現合金元素(如Mg、MnZn)在基體中的大量固溶形成過(guò)飽和固溶體,從而提高LPBF鋁合金的性能。由于LPBF快速加熱凝固的特點(diǎn),大多數高強度鋁合金通常會(huì )出現熱裂紋等加工缺陷,這將嚴重降低鋁合金的性能和適用性。添加ScZr元素是一種有效減少LPBF過(guò)程中產(chǎn)生缺陷的方法,且能夠進(jìn)一步改善性能;谏鲜龈拍,研究人員專(zhuān)門(mén)為LPBF工藝設計并生產(chǎn)了高Mn含量的Sc、Zr改性高強鋁合金,由于過(guò)飽和Mn的固溶強化、晶粒細化強化和高密度納米析出相的沉淀強化,實(shí)現了強度的顯著(zhù)提升(屈服強度達560 MPa),這類(lèi)合金在航空航天領(lǐng)域展現了廣闊的應用前景。然而,這類(lèi)高強度LPBF鋁合金的腐蝕性能仍不清楚。為了擴大這種新型合金的實(shí)際應用,有必要對其基本腐蝕行為進(jìn)行全面研究。

      與傳統鑄造或鍛造合金不同,LPBF通常由于逐層構建過(guò)程而賦予合金各向異性的微觀(guān)結構特征,從而導致LPBF合金不同平面上的機械性能和耐蝕性能差異。例如,Dai等人發(fā)現,LPBF Ti-6Al-4VXYXZ平面上的耐腐蝕性差異是由于α′馬氏體相和β-Ti相分布的數量不同,Kong等人將哈氏合金X合金的各向異性腐蝕行為歸結于微觀(guān)結構差異,熔池邊界導致XZ平面的溶解速率更高。此外, LPBF合金的腐蝕行為還與晶體取向、殘余應力、沉淀分布等因素有關(guān)。因此,全面研究LPBF鋁合金不同平面的微觀(guān)結構特征與相應腐蝕行為之間的相關(guān)性具有重要意義,特別是對于新型的LPBF高強鋁合金。

      基于此,北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院張博威、張百成等研究人員采用光學(xué)顯微鏡(OM)、X射線(xiàn)衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子背散射衍射儀(EBSD)及透射電子顯微鏡(TEM)對LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金不同平面的微觀(guān)結構進(jìn)行了表征,并借助電化學(xué)測試、浸泡實(shí)驗、激光共聚焦顯微鏡(CLSM)、原子力顯微鏡(AFM)及X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)對耐蝕性能及腐蝕行為進(jìn)行了探究,系統地建立了LPBF-Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的微觀(guān)結構特征與不同平面上腐蝕行為之間的聯(lián)系,總結了LPBF鋁合金在不同平面上的腐蝕機理,為新型LPBF鋁合金的進(jìn)一步性能優(yōu)化和實(shí)際應用奠定了良好的基礎。相關(guān)研究結果以題“Anisotropic response in corrosion behavior of laser powder bed fusion Al-Mn-Mg-Sc-Zr alloy”發(fā)表在腐蝕頂刊《Corrsion Science》上。

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110634

 

1 LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金不同平面的XRD圖譜

 

2  LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的微觀(guān)結構和EBSD表征:(a)(b)、(c)(d)、(e)(f)分別為XYXZ平面的OM圖、IPF圖及晶粒尺寸分布圖。BD表示構建方向,RD、TD表示垂直構建方向平面中的兩個(gè)方向。

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