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北航《JMST》：新型电弧增材铝合金强韧化策略！激光冲击强化与热处理复合制造

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  电弧定向能量沉积（Wire arc-directed energy deposition，WADED，又称电弧增材制造）技术适用于大尺寸、中低复杂程度金属零件一体化快速制造。不可热处理强化Al-Mg合金是航空航天、轨道交通和船舶制造领域大型构件重要轻质材料，采用WADED制造的Al-Mg构件存在气孔缺陷多发、组织粗大和强度不足等问题，严重制约了该技术的工程应用推广。激光冲击强化（Laser shock peening，LSP）技术具有强化效果显著、可达性高和对零件尺寸精度影响小等优势，被应用于多种材料体系增材制造构件中。通过激光冲击强化产生表面塑性变形可闭合增材构件近表面气孔和细化微观组织，并产生较明显的加工硬化，强度提升的同时导致塑性降低。
      基于此，北京航空航天大学机械工程及自动化学院郭伟教授团队设计了一种激光冲击强化+退火策略，通过LSP闭合WADED铝合金近表面气孔，产生加工硬化效果。进一步通过退火处理调控LSP产生的梯度结构，从而改善增材制造铝合金构件的强度与塑性。结果表明，LSP产生的塑性变形可以有效闭合近表面气孔，形成无缺陷区；促进近表面区域晶粒细化、产生大量小角度晶界（LAGBs）和高密度位错，从而显著提高强度；同时由于位错容纳能力的下降导致塑性变差。退火过程中，LSP在近表面区域产生的高密度位错和高储存能加速再结晶，促进晶粒再生长；在保留无缺陷区和“硬-软-硬”梯度结构的同时，消除部分位错和LAGBs，减弱LSP引起的加工硬化，显著提高延伸率。无缺陷区、位错强化和LAGBs强化是强度提高的主要原因，具有梯度力学性能的表面硬化层和内部软化层之间的协同变形促进塑性显著提高。通过平衡LSP产生的硬化效果和退火产生的软化效果，可实现WADED铝合金强度和塑性协同提升。研究结果为电弧增材制造结构强塑性协同优化提供了理论指导和技术支撑。

相关研究成果以“Tailoring properties of directed energy deposited Al-Mg alloy by balancing laser shock peening and heat treatment”为题发表在材料科学与工程权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。


论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.051

图1 WADED铝合金激光冲击强化+退火工艺流程：（a）WADED；（b）双面激光冲击强化；（c）退火


LSP引发塑性变形促进WADED铝合金近表面气孔闭合，形成一定深度的无缺陷区，在合理的低温退火处理后，无缺陷区依然保留。通过μCT断层扫描技术进行了气孔三维特征统计分析，结果表明大尺寸气孔存在层间偏聚倾向，LSP可以显著减少一定作用深度范围内的气孔数量。

图2 WADED铝合金经过激光冲击强化及退火工艺后气孔分布特征：（a）近表面气孔特征，强化后出现无缺陷区；（b-c）LSP前后试样气孔三维特征


LSP可以促进晶粒细化，并诱导大量小角度晶界（LAGBs）和超高密度位错结构；晶粒尺寸、LAGBs和位错密度沿深度方向呈梯度演变。经LSP处理的样品在退火过程中更容易发生再结晶和晶粒粗化，LAGBs和位错密度显著下降。

图3 不同处理条件下样品的EBSD结果：（a-d）沉积态、LSP、LSP+退火和沉积态+退火；（e）距离表面不同深度区小角度晶界长度统计；（f）取样示意


图4 距离样品表面不同深度位错形貌：（a）沉积；（b）LSP样（c）LSP+退火

通过研究距离表面不同深度位置显微硬度、残余应力和拉伸性能，揭示了LSP、LSP+退火样品中存在力学性能梯度分布特征，具有由表面硬化层和内部软化层组成的“硬-软-硬”复合结构。

图5 沿深度方向梯度力学性能表征特征：（a）硬度分布；（b）残余应力分布；（c，d）不同深度拉伸性能


LSP样品的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为194.3MPa（较沉积态提高46%）、350.9MPa（提高23%）和15.1%（降低8%）。经退火后，屈服强度（158.3MPa）和抗拉强度（294.2MPa）降低，伸长率显著提升（27.2%）。

图6 沉积态、LSP和LSP+退火样品拉伸性能：（a，b）拉伸性能结果；（c）当前研究工作拉伸性能与常见强化方法对比


无缺陷区增加了增材样品的实际承载面积，残余压应力可缓解残留气孔周围的应力集中，阻碍裂纹的萌生和扩展；近表面区域由于显著的位错强化和LAGBs强化形成了高强度硬化层，从而显著提高样品的整体强度。表面硬化层与内部软化层在拉伸变形过程中的协同变形有利于提高样品整体的位错存储能力，从而提高样品的塑性。

图7 LSP+退火工艺对WADED铝合金强度提高机理示意图


明显的无缺陷区和微观组织演变需要采用高功率密度激光或多次LSP进行表面强化，以保证在样品表面产生足够的表面塑性变形；但同时带来加工硬化，一定程度降低样品塑性。通过退火工艺，消除过量位错和LAGBs，同时保持无缺陷区和梯度微观组织，从而恢复塑性。通过平衡LSP硬化和退火软化可实现WADED铝合金构件强度与塑性协同提升。

图8 基于平衡LSP与退火作用的强塑性协同提升策略


引用格式：Dai W, Guo W, Xiao J, et al. Tailoring properties of directed energy deposited Al-Mg alloy by balancing laser shock peening and heat treatment, J. Mater. Sci. Technol. 2024, 203: 78-96. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.051


关键词：电弧增材铝合金

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