哈工大:激光粉末床熔融打印2195铝锂合金热裂纹演化及形成机制

        激光粉末床熔化（LPBF）制备的铝锂合金具有显著优点，具有巨大的工业应用潜力。然而，加入锂而导致的高热裂纹敏感性（HCS）仍然是限制其工业应用快速发展的关键因素。

       近日，哈尔滨工业大学吴世博等人采用三维（3D）X射线显微断层成像技术研究了LPBF工艺制备的2195铝锂合金的热裂纹行为。相关研究以“Hot cracking evolution andformation mechanism in 2195 Al-Li alloy printed by laser powder bed fusion”为题，发表在《Additive Manufacturing》。

https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102762
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铝合金系列
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        该文章通过实验和理论计算相结合的方法，阐明了LPBF处理2195铝锂合金的热裂纹机理。全面讨论了热裂纹的萌生、扩展和止裂过程，对指导工艺优化具有重要意义。哈尔滨工业大学吴世博等人首次建立了显微组织演变与高HCS之间的关系，揭示了热裂机理。X射线断层扫描的观察结果显示，打印样本中有一个3D网状结构的大型互连裂缝，沿着建筑方向从之前单轨中的层状裂缝逐层延伸。研究发现，导致热裂纹的原因是稳定的液膜和应力集中。Al6CuLi3和α-Al基体之间的偏析有助于沿大角度晶界形成以晶间液膜形式存在的Al-Cu共晶。此外，还发现Al2Cu和相邻LiAlSi或AlCuMgAg之间的界面层（枝晶内液膜）在晶粒内部表现出降低的微裂纹抗力。计算结果表明，晶界液膜的稳定性越高，晶界处的HCS越高。此外，较高的内部残余拉应力为裂纹的萌生和扩展提供了驱动力。总之，这项工作为优化LPBF生产的高质量铝锂合金的粉末成分和加工步骤提供了实用指南。

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Li和Cu的加入显著增加了Al-Li合金的热裂纹敏感性（HCS）。通过调整工艺参数来优化激光加工性能是制造无裂纹铝锂组件的重要一步。因此，进行了一系列单轨实验，系统地研究了这些工艺参数的影响。单轨实验结果将工艺参数窗口缩小到低激光功率和低扫描速度。根据本文中的热裂机理，可以通过降低 LPBF 凝固过程最后阶段的冷却速度和凝固速度来抑制裂纹。因此，通过将基板在 150℃ 预热并将扫描速度降低到 100 mm/s，激光功率为200 W，成功制备出无裂纹样品，有利于降低温度梯度，延长熔池寿命，防止热裂。

图1 单轨扫描工艺参数窗口的优化:(a)-(d)典型单轨样品的表面形貌(e)从高通量单轨扫描获得的参数优化图

图2 密度分析：(a)-(d)典型横截面OM图像和；(e)能量密度对相对密度的影响

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锂的存在延长了LPBF期间的凝固温度范围（STR）。研究发现，LPBF的凝固过程取决于冷却速度，快速冷却速度会导致结晶方向<100>的粗柱状晶粒（垂直于MPB），在经过LPBF处理的立方样品中，树枝状衬底上发生柱状外延生长成核。值得注意的是，在LPBF期间，大的STR也会增强HCS。为了确定LPBF处理样品的沉淀相，如图所示，在印刷样品的所有XRD图谱中检测到α-Al基体和T2（Al6CuLi3）。

图3 立方样品的SEM图像：（a）-（c）逐渐放大微观结构的BSE视图

图4 XRD图谱:(a)粉末和印刷样品；(b)b 区放大图；(c)c区放大图

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（采编：www.znzbw.cn）