基于超聲輔助定向能量沉積的Al-Cu合金多區(qū)域微觀組織控制

更新時(shí)間：2024-03-20

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鋁合金因其高比強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和低密度而在過(guò)去幾年中引起了相當(dāng)大的關(guān)注，在航空航天、造船、汽車(chē)等行業(yè)顯示出巨大的潛力。2319鋁合金是高強(qiáng)度Al-Cu合金之一，在-270°C至300°C范圍內(nèi)具有優(yōu)異的機(jī)械性能。由于其有吸引力的特性，它被廣泛用于航空航天領(lǐng)域，例如航天器的機(jī)身和外殼。

航空航天工程中Al-Cu合金的大型結(jié)構(gòu)件通常采用鑄造和鍛造法生產(chǎn)，制造周期長(zhǎng)，價(jià)格高，材料利用率低。相比之下，DED-Arc 技術(shù)在制造大型部件方面具有的優(yōu)勢(shì)，例如快速沉積速率、良好的材料利用率和低成本制造。然而，正如 Marques 等人所建議的那樣，不均勻微觀結(jié)構(gòu)的形成歸因于熱循環(huán)，其中包括DED-Arc 過(guò)程中的反復(fù)加熱和冷卻。DED-Arc樣品中出現(xiàn)粗晶和細(xì)晶的混合微觀結(jié)構(gòu)，可以顯著降低抗拉強(qiáng)度。凝固開(kāi)裂主要發(fā)生在等軸晶粒和柱狀晶粒之間或粗晶粒和細(xì)晶粒之間。沉積層不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布不均勻，導(dǎo)致共晶相分布不均勻。析出物的不均勻分布使得 ITZ 中容易形成微裂紋，導(dǎo)致塑性差和抗拉強(qiáng)度低。

然基于超聲空化和聲流效應(yīng)，對(duì)熔池施加超聲波可以改變凝固過(guò)程并細(xì)化晶粒。因此，超聲輔助增材制造技術(shù)成為提高微觀組織均勻性和力學(xué)性能的首要研究重點(diǎn)。未經(jīng)超聲處理的DED-Arc樣品主要由柱狀枝晶組成，特別是在竣工墻沉積物的底部。然而，一些柱狀枝晶斷裂，超聲振動(dòng)后等軸晶粒尺寸進(jìn)一步減小。聲流效應(yīng)促進(jìn)了熔池的流動(dòng)，有利于有效晶核在熔池中的分散。這些分散的晶核促進(jìn)了熔池凝固過(guò)程中的晶粒細(xì)化和質(zhì)構(gòu)的減少。此外，在超聲空化作用下，長(zhǎng)鏈狀析出物被細(xì)化和破碎，晶相數(shù)量增加，緩解了Ni偏析，抑制了Inconel 718和Ti6Al4V合金金屬間化合物的團(tuán)聚。同時(shí)，在引入超聲波后，共晶相被分解成顆粒并均勻分布在基質(zhì)中。優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度、延展性和沖擊韌性的結(jié)果被實(shí)現(xiàn)為通過(guò)聲空化效應(yīng)形成的更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。此外，超聲波振動(dòng)有效地削弱了沉積層的織構(gòu)并均勻化了晶粒結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了材料的顯微硬度和屈服強(qiáng)度。

該工作在超聲振動(dòng)下定量控制了沉積層不同區(qū)域的晶粒形貌和晶體取向。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征研究了DED-Arc和U-DED-Arc樣品的亞晶結(jié)構(gòu)演變和沉淀物分布.通過(guò)DED-Arc過(guò)程中溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的仿真結(jié)果，詳細(xì)討論了微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。系統(tǒng)闡明了沉積層不同區(qū)域超聲振動(dòng)后的原位強(qiáng)化機(jī)理。建立了DED-Arc和U-DED-Arc樣品的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的關(guān)系