北航《Virtual and physical prototyping》：丝材电弧定向能量沉积稀土微合金化铝合金

丝材电弧定向能量沉积 ( Wire arc-directed energy deposition ， WADED ) 是一种利用电弧热源熔化金属丝材并逐层沉积从而制备构件的技术。与其他 增材制造技术相比， WADED 具有高效、经济、 可集成制造大尺寸装备构件 的显著优势。 Al-Mg 合金因其 轻量化及优异的强度 - 塑性综合性能在航空航天工业中广泛应用。采用 WADED 技术制备 Al-Mg 合金 构件的可行性已被诸多研究证实，但 WADED Al-Mg 铝合金仍 存在缺陷较多和强度不足 ( ＜ 300 MPa) 等问题。此外，随着对航空航天用铝合金性能日益增长的需求，构件力学性能和耐久性需被兼顾考虑。为解决上述问题，已有研究围绕工艺参数优化、后处理和微合金化等手段来提升合金性能。其中 Sc/Zr 微合金化 改性 Al-Mg 合金 吸引了广泛关注，成为新一代高性能铝合金制造领域研究热点 。

基于此，北京航空航天大学机械工程及自动化学院齐铂金教授团队通过WADED技术制备 Al-Mg 和 及 Al-Mg-Sc-Zr 薄壁件 ， 对 WADED Al - Mg - Sc-Zr 进行 350°C 时效 4 小时 处理 。研究了 Sc/Zr 微合金化对孔隙率、微观结构、力学性能和腐蚀行为的影响。结果表明： Sc/Zr 加入后，孔隙率 从 0.208% 下降到 0.005% ，晶粒尺寸从 84.34 μm 细化至 19.54 μm 。 WADED Al-Mg-Sc-Zr 组织呈沿熔池边界及层间区域分布的等轴细晶 。沉积态 WADED Al - Mg -Sc-Zr 表现出 360 M Pa 抗拉强度、 185 MPa 屈服强度和 23.31% 伸长率。热处理后 WADED Al - Mg -Sc-Zr 抗拉强度 提高到 388 MPa ，并保持了良好的 延伸率 ( 22.53% ) 。晶粒细化和 Al ₃ ( Sc , Zr ) 粒子 是力学性能提高的关键因素。 Sc/Zr 的引入改善了 电化学腐蚀行为，但 由于初生 Al ₃ ( Sc , Zr )的分布，腐蚀表现出分层特征。

相关研究成果以 “Sc/Zr microalloying on strength-corrosion performance synergy of wire-arc directed energy deposited Al-Mg” 为题发表在 增材制造领域国际顶级期刊 Virtual and Physical Prototyping （ IF=10.6, 中科院一区）。 北航机械工程及自动化学院祁泽武教师与齐铂金教授为通讯作者，博士生周豫斌为第一作者。

论文链接： https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2358981

图 1 WADED Al-Mg(-Sc-Zr) 合金 构件 制备及实验取样

通过 μCT 断层扫描技术进行了气孔三维特征统计分析。结果表明： WADED Al-Mg 中 微孔数量较多， 孔隙率为 0.208% 。 Sc/Zr 微合金化后，微孔数量和尺寸显著减少，孔隙率下降至 0.005% 。 热处理后孔隙率略有增大，与热处理过程中微孔聚集和生长有关 。

图 2 WADED Al-Mg(-Sc-Zr) 气孔特征： (a ₁ )-(a ₃ ) WADED Al-Mg, (b ₁ )-(b ₃ ) WADED Al-Mg-Sc-Zr, (c ₁ )-(c ₃₎ WADED Al-Mg-Sc-Zr-HT

WADED Al-Mg 微观组织由均匀等轴粗晶组成，沿晶界分布的大尺寸相为 β-Al ₃ Mg ₂ 和 Al ₆ (Mn, Fe) 。 WADED Al-Mg-Sc-Zr 在 熔池边界及层间区域呈现等轴细晶特征，在层中及熔池内部为等轴粗晶，组织分层特征明显。 层间区域聚集的 Sc/Zr 富 集 粒子为 Al ₃ (Sc, Zr) 。 时效后 WADED Al-Mg-Sc-Zr-HT 晶界表现出半连续特征。

图 3 WADED Al-Mg(-Sc-Zr) 金相组织： (a) WADED Al-Mg, (b) WADED Al-Mg-Sc-Zr, (c) WADED Al-Mg-Sc-Zr-HT

图 4 WADED Al-Mg(-Sc-Zr) 微观组织： (a ₁ )-(a ₄ ) WADED Al-Mg, (b ₁ )-(b ₄ ) WADED Al-Mg-Sc-Zr, (c ₁ )-(c ₄ ) WADED Al-Mg-Sc-Zr-HT.

WADED Al - Mg - Sc-Zr 构件中， 初生 Al ₃ (Sc, Zr) 作为 形核位点，存在于等轴细晶晶界处， 平均半径153.6 nm。 由于等轴 粗晶中的 Sc/Zr 元素 处于过饱和状态，更倾向于在时效过程中析出 次生 Al ₃ (Sc, Zr) 相，其具有较小半径 2 4.5 nm 。

图 5 WADED Al-Mg-Sc-Zr TEM 结果 ： (a ₁ )-(a ₃ ) WADED Al-Mg-Sc-Zr, (b ₁ )-(b ₅ ) WADED Al-Mg-Sc-Zr-HT

WADED Al-Mg ( -Sc-Zr ) 微观组织呈随机分布的等轴晶特征。 Sc/Zr 微合金化后 ，晶粒尺寸由 8 4.34 μm 减小至 19.54 μm ，热处理后晶粒尺寸略增大至 2 1 μm ，表明 Sc/Zr 可促进晶粒细化，并表现出良好的热稳定性。

图 6 WADED Al-Mg(-Sc-Zr)EBSD 结果： (a ₁ )-(a ₄ ) WADED Al-Mg, (b ₁ )-(b ₄ ) WADED Al-Mg-Sc-Zr, (c ₁ )-(c ₄ ) WADED Al-Mg-Sc-Zr-HT

Sc/Zr 引入后 ，合金的平均硬度由 91.7 HV _0.2 提高到 99.5 HV _0.2 。经过 350 °C-4 h 时效后，硬度进一步 提升 到 120.3 HV _0.2 。 WADED Al-Mg 、 Al-Mg-Sc-Z r 及 Al-Mg-Sc-Z r - HT 均表现出均匀的硬度分布。

图 7 WADED Al-Mg(-Sc-Zr) 显微 硬度

相比于 WADED Al - Mg 合金， Sc / Zr 微合金化后屈服强度由 155 MPa 提升至 182 MPa (1 17 %) ，抗拉强度由 330 MPa 提升至 360 MPa (109%) ，延伸率保持 23.31% ，力学性能得到了显著提高。 350 °C 时效 4 h 后，抗拉强度进一步提高到 388 MPa ，同时保持 22.53% 的延伸率。

图 8 WADED Al-Mg(-Sc-Zr) 拉伸性能

对于 WADED Al -Mg ， β-Al ₃ Mg ₂ 相沿晶界分布，致使结合力减弱，主要表现出沿晶断裂特征，断口边缘存在连续分布的析出 相。 WADED Al-Mg-Sc-Zr 的 侧面断口形貌随拉伸方向变化呈现不同特征：水平方向上，断口边缘分布有少量析出的 Al ₃ (Sc, Zr) 颗粒 ；竖直方向上，裂纹沿层间扩展，表明层间是竖直方向拉伸断裂敏感区。断口正面形貌显示 WADED Al-Mg 具有大量的韧窝，表明其局部塑性变形程度高，延展性好。 Sc / Zr 微合金化后构件的 韧窝大小与前者相似。各构件皆呈现韧性断裂特征。 Al ₃ ( Sc, Zr) 颗粒 在层间区域的聚集和孔隙的层间 分布的共同作用导致了力学性能的各向异性。

图 9 WADED Al-Mg(-Sc-Zr) 构件断口形貌

电化学测试结果表明， Sc/Zr 微合金化后开路电位稳定值升高，腐蚀倾向下降；阻抗环半径增大，阻抗模值升高；腐蚀电位升高、腐蚀电流 下降。 WADED Al - Mg - Sc - Zr 经 时效后腐蚀电流进一步减小，表明电化学腐蚀行为得到改善。

图 10 WADED Al-Mg(-Sc-Zr) 构件 电化学测试结果 ： (a) 开路电位 ,