专栏 l 增材制造制备400MPa级高强度镁稀土合金-金属3D打印工厂

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专栏 l 增材制造制备400MPa级高强度镁稀土合金

| 3DScienceValley · 2021/12/12

以下文章来源于材料科学与工程 ,作者材料科学与工程

专栏 l 增材制造制备400MPa级高强度镁稀土合金

谷专栏是3D科学谷内容板块:谷前沿、谷透视、谷研究、谷专栏这四大板块之一。谷专栏基于3D科学谷愿景:贡献于制造业附加值创造,贡献于人类可持续发展。其目的是通过携手科研机构、科学家、企业研发与应用团队,与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果。

激光粉末床熔融(laser powderbed fusion, LPBF)是一种最有前景且应用最广泛的金属增材制造技术,有望实现高性能复杂结构镁合金构件的制备以取代传统的铸造和塑性变形技术。

LPBF已成功制备了高致密度且力学性能优良的铝合金、钛合金、镍基高温合金和铁基合金等,但是由于镁粉的高爆炸倾向、镁的高饱和蒸气压和低沸点,采用LPBF制备镁合金是比较困难的,研究报道相对较少。

目前镁合金的LPBF研究主要针对商业化的铸造镁合金牌号(如AZ91D、AZ31B、ZK60和WE43等),但是这些合金牌号不一定适合LPBF 快速凝固非平衡工艺,因此需要开发LPBF 增材制造专用的高性能镁合金成分。

本期谷.专栏文章,分享的是上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心彭立明教授和吴玉娟副研究员团队,在增材制造高强度镁稀土合金领域的研究成果。

Mg-Gd系镁稀土合金具有显著的析出强化效应,是一类广泛报导的高性能铸造和变形镁合金,Mg-Gd系合金中添加Y元素可以进一步提升力学性能同时降低昂贵的Gd元素含量,添加Zn元素可以引入强化相——长周期堆垛有序结构(long period stackingordered, LPSO),Zr元素是Mg-Gd系镁稀土合金常用的晶粒细化元素。但是采用LPBF制备高强度Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的成型性、打印态到固溶态再到时效态的显微组织和力学性能的演变还没有其他研究者报道,有必要进行深入研究。此外,采用LPBF制备高性能Mg-Gd系镁稀土合金有利于发挥中国的镁与稀土资源优势。

上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心的彭立明教授和吴玉娟副研究员(通讯作者)团队以Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.4Zr(GWZ1031K, wt.%)为研究对象,系统地表征了粉末、打印态、LPBF-T5态、LPBF-T4态和 LPBF-T6态的显微组织和力学性能。LPBF-T6态的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为316 ± 5 MPa,400 ± 7 MPa和2.2 ± 0.3%。上述成果以“Microstructure evolution and mechanical properties ofa high-strength Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.4Zr alloy fabricated by laser powder bedfusion”为题在增材制造顶刊Additive Manufacturing上在线发表。

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doi.org/10.1016/j.addma.2021.102517

科研成果解析

200-300目粉末的平均颗粒直径为63.9 μm,绝大多数粉末为规则的球形,存在少量的卫星粉和不规则形状的粉末,粉末表面还存在大量直径几百纳米的细小白色颗粒,EDS图谱表明其为氧化物颗粒。粉末由细小的ɑ-Mg基体和晶界上的网状共晶相组成,平均晶粒尺寸为2.1 ± 0.8 μm。

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图1 GWZ1031K预合金化粉末的SEM表征

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图2 打印态GWZ1031K合金的显微组织

打印态存在圆形气孔和垂直于打印堆垛方向的大裂纹,包含裂纹的孔隙率为2.15 ± 0.11%。推测打印态的大裂纹是由于LPBF过程热应力累积超过材料的屈服强度而产生的冷裂纹,该裂纹通过调整激光能量密度无法消除,提高基板加热温度或者采用塑性更好的化学成分有利于改善裂纹。Y和O元素的结合倾向最大导致形成片状白亮相——Y2O3氧化相。打印态GWZ1031K合金由灰色的细小ɑ-Mg晶粒(平均晶粒尺寸为4.1 ± 0.5 μm)和晶界上的白亮网状β-(Mg,Zn)3(Gd,Y)共晶相组成,硬脆共晶相的面积分数为7.78 ± 0.15%,因此有必要进行后续热处理来固溶硬脆共晶相改善塑性和析出纳米级的时效相提升强度。打印态的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为310 ± 8 MPa,347 ± 6 MPa和4.1 ± 0.8%。

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图3 450℃下固溶不同时间的BSE-SEM照片(a)1 h; (b)4 h; (c)8 h; (d)12 h; (e) 24 h; (f) 36 h。

传统重力铸造GWZ1031K合金的固溶温度是500℃,而打印态GWZ1031K合金在450℃下即可实现硬脆共晶相到晶界X相和晶内层片状LPSO结构的转变。

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图4 打印态和450℃下固溶不同时间的工程应力应变曲线和室温拉伸性能。

450℃固溶处理后屈服强度下降但是延伸率显著提升,这是因为共晶相的硬度和杨氏模量都高于LPSO结构可以提高更显著的强化效应,但是共晶相特别硬脆,显著恶化塑性。随着固溶时间的延长,晶粒发生长大导致屈服强度进一步下降。固溶12 h后屈服强度较高同时延伸率最高,因此最佳的固溶工艺为450℃×12 h。LPBF-T4态的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为255 ± 8 MPa,328 ± 7 MPa和10.3 ± 0.5%。

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图5 LPBF-T6态GWZ1031K合金的明场TEM照片和选区电子衍射图案,电子束分别平行于 (a, b) 和方向 (c, d)。

LPBF-T6态由基面γ′相和14H-LPSO结构以及棱柱面大量β′和β1时效析出相组成,基面相和棱柱面相的相互垂直分布可产生复合强韧化的效果。基面14H-LPSO结构可以阻碍棱柱面β′时效析出相沿[0001]α方向的生长,β′时效析出相包含三个呈120°夹角的变体,一个β1析出相连接两个β′析出相可以降低β′析出相周围的剪切应变能。

表1 LPBF和重力铸造制备的不同状态的GWZ1031K合金的室温拉伸性能/

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打印态和LPBF-T6合金相比于铸态和铸造-T6态合金不仅具有明显更高的屈服强度和抗拉强度,还保持略高的延伸率。打印完直接进行175℃×64 h的时效热处理导致超高的屈服强度(365 ± 12 MPa)但是延伸率很低(0.8 ± 0.3%)。T4热处理后强度下降但是延伸率显著提升,而T6处理后强度最高但是延伸率下降。出人意料地是,LPBF-T4和LPBF-T6态合金的室温拉伸性能接近挤压态和挤压-T5态合金。

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图6 LPBF制备的不同热处理状态GWZ1031K合金与其他打印态镁合金和传统重力铸造制备的不同状态的GWZ1031K合金的室温拉伸性能对比。

LPBF制备的不同热处理状态GWZ1031K合金的室温拉伸性能相比于其他打印态镁合金处于右上方,具有显著的优势,甚至接近于挤压态和挤压-T5态合金。但是挤压态和挤压-T5态合金的制备流程长,且挤压过程只能生产形状简单的型材,而LPBF增材制造过程加上后续热处理流程简单,而且可以制备形状复杂的构件,具有更广阔的应用前景。

上述研究表明采用激光粉末床熔融增材制造技术制备高强度Mg-Gd系镁稀土合金具有非常广阔的应用前景,但是针对LPBF过程巨大的温度梯度和极高的冷却速度导致的热应力累积从而发生开裂需要加以避免。LPBF加上专门设计的后续热处理工艺有利于制备适合工程应用的具有更高屈服强度的高性能镁稀土合金构件,本文可以为增材制造制备镁合金构件提供一定的理论基础和技术指导。

—作者—

论文作者团队邓庆琛博士

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