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作為可沉淀強(qiáng)化的輕質(zhì)材料，Al-Zn-Mg-Cu合金因其高比強(qiáng)度、高損傷容限和優(yōu)異的可加工性能而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。然而，由于7xxx系列鋁合金存在高熱裂和氧化敏感性，激光粉床熔融（LPBF）增材制造或電弧增材制造（WAAM）的快速冷卻速率和大熱輸入可能導(dǎo)致粗晶粒、元素分離和多種缺陷（如裂紋和孔隙），從而損害7xxx系列鋁合金的性能。
激光-電弧復(fù)合3D打印技術(shù)在穩(wěn)定電弧行為和抑制缺陷方面得到了廣泛認(rèn)可。但現(xiàn)有的單一激光或電弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金仍然存在一些不可忽略的問題和挑戰(zhàn)。學(xué)界對(duì)于改善增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫機(jī)械性能的研究仍然缺乏。
Graphical abstract
為此，大連理工大學(xué)高性能精密制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬廣義教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了脈沖激光-電弧復(fù)合增材制造技術(shù)，相關(guān)最新研究成果在國際知名期刊Journal of Materials Science & Technology上發(fā)表（封面論文）。該技術(shù)采用定域可控的脈沖激光作為熱源之一，與熱輸入較大的電弧復(fù)合共同熔化焊絲，通過激光-電弧耦合作用實(shí)現(xiàn)Al-Zn-Mg-Cu合金構(gòu)件的高質(zhì)量制造。此論文提到的方法為高性能輕質(zhì)合金制造提供了一種有效的選擇。
JMST封面
研究人員開發(fā)了形性聯(lián)合調(diào)控的增材與后續(xù)熱處理工藝，發(fā)現(xiàn)了Al-Zn-Mg-Cu合金“成分-相變”聯(lián)合強(qiáng)化機(jī)制：共格納米析出相剪切強(qiáng)化機(jī)制阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。基于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論，計(jì)算了析出相溶解、形核生長臨界條件，并探討高溫拉伸后微觀組織與力學(xué)性能演變機(jī)理。復(fù)合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金樣件的常溫抗拉性能>600 MPa，高溫抗拉性能>360 MPa，優(yōu)于單一激光或電弧增材制備的Al-Zn-Mg-Cu、Al-Cu以及Al-Mg合金，能夠與常規(guī)鍛造的7075鋁合金相媲美。這些發(fā)現(xiàn)為高性能輕質(zhì)合金制造提供了一種全新的思路。
圖1. (a) LAHAM系統(tǒng)；(b) 沉積的Al-Zn-Mg-Cu標(biāo)本的宏觀照片和拉伸標(biāo)本的尺寸；(c) YOZ平面的表面輪廓。
圖2. 在Al-Zn-Mg-Cu合金中的孔隙分析，顯示了從XCT重建的形態(tài)和分布：沉積狀態(tài)下的孔隙形態(tài)的3D可視化(a)和經(jīng)熱處理標(biāo)本(b)；沉積狀態(tài)下等效直徑的頻率分布(c)和經(jīng)熱處理標(biāo)本(d)；(e)等效直徑的分布。
圖3. 沉積狀態(tài)標(biāo)本(a)和經(jīng)熱處理標(biāo)本(b)的反極圖（IPF）和極圖（PF）；(c)晶粒尺寸分布；(d)晶界錯(cuò)配角百分比。
圖4. 沉積狀態(tài)標(biāo)本平行于掃描方向的SEM圖像(a)和垂直于掃描方向的SEM圖像(b)；(c)放大的SEM圖像和點(diǎn)掃描結(jié)果；(d)對(duì)應(yīng)(b)中的元素分布。
圖5. 經(jīng)過熱處理標(biāo)本的典型SEM圖像(a)和高倍放大的SEM圖像(b)；(c)在(b)中的對(duì)應(yīng)元素分布；(d)次生相的EDS線掃描；(e)點(diǎn)掃描結(jié)果。
圖6. 沉積狀態(tài)的Al-Zn-Mg-Cu合金中不同相的透射電子顯微鏡（TEM）結(jié)果：共晶的HAADF圖像和元素分布(a)，η相的TEM圖像(b)，高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像(c)，F(xiàn)FT圖案(d)，以及η相的EDS映射(e)。
圖7. 經(jīng)過熱處理的Al-Zn-Mg-Cu合金中的沉淀特征：BF-TEM圖像(a)，HRTEM圖像(b)，EDS映射(c)，放大的HRTEM圖像(d)，(e)FFT圖案和η'沉淀的化學(xué)組成。
圖8. 沉積狀態(tài)標(biāo)本(a)和經(jīng)熱處理標(biāo)本(b)的微觀硬度。
圖9. (a) 沉積狀態(tài)[31]和經(jīng)熱處理標(biāo)本在室溫（RT）和高溫（HT）下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) (a)中對(duì)應(yīng)的平均0.2%屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率；(c) 本研究和先前文獻(xiàn)中473 K時(shí)不同鋁合金的0.2%屈服強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變總結(jié)（AlSi10Mg [39,40]，AlSi10Mg+TiCN [41]，Al-Si-Mg [42]，Al-Mg-Sc-Zr [17]，Al-Mg-Mn-Sc-Zr [43]，Al-Cu+TiO2 [44]，Al-Cu [45]，Al-Cu+Y [45]，經(jīng)熱處理后的鍛造Al-Zn-Mg-Cu合金 [46,47]）。
圖10. (a) Al-Zn-Mg-Cu合金的相圖[49]和相應(yīng)的沉淀溫度范圍；(b) 經(jīng)熱處理標(biāo)本在高溫拉伸實(shí)驗(yàn)前后的BF-TEM和STEM圖像。
圖11. (a) 經(jīng)熱處理標(biāo)本中η'沉淀的HRTEM圖像；(b) (a)的對(duì)應(yīng)逆FFT；(c) (a)對(duì)應(yīng)的計(jì)算應(yīng)變圖（εxx）；(d) 從(c)中沿箭頭方向提取的應(yīng)變分布；(e) 沉積狀態(tài)標(biāo)本中η相的HRTEM圖像和FFT圖案；(f) (e)虛線框中對(duì)應(yīng)的計(jì)算應(yīng)變圖（εxx）；(g) 從(f)中沿箭頭方向提取的應(yīng)變分布。
在這項(xiàng)研究中，調(diào)查了激光電弧混合增材制造的Al-7.81Zn-1.46Mg-2.34Cu合金的微觀結(jié)構(gòu)與高溫機(jī)械性能之間的關(guān)系，并通過熱處理實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化。主要結(jié)論如下：
(1) XCT結(jié)果表明，LAHAM制造的Al-Zn-Mg-Cu標(biāo)本沒有裂紋，但存在內(nèi)部氫氣孔。沉積狀態(tài)的標(biāo)本相對(duì)密度為99.55%，平均孔等效直徑為8.6 μm。經(jīng)過熱處理后，孔隙的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.78%，孔隙發(fā)生了生長。
(2) 經(jīng)固溶處理和人工時(shí)效處理后，沿晶界的連續(xù)分布的共晶被破壞。大量的η'沉淀均勻分布在經(jīng)熱處理標(biāo)本的鋁基體中。亞穩(wěn)態(tài)的η'相展現(xiàn)出與基體半一致的界面，并導(dǎo)致應(yīng)變場，可以增加473 K下的滑移形變抵抗。
(3) 經(jīng)過熱處理的標(biāo)本在高溫下展現(xiàn)出良好的機(jī)械性能（0.2%屈服強(qiáng)度：318 ± 16 MPa，抗拉強(qiáng)度：362 ± 20 MPa，延伸率：6.8% ± 0.3%）。473 K下的0.2%屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別比沉積狀態(tài)標(biāo)本提高了約58%和51%。
(4) 沉積狀態(tài)的標(biāo)本呈現(xiàn)脆性斷裂，裂紋更傾向于沿著聚集的共晶傳播。由于高溫下的拉伸加載，一些晶粒傾向于滑移和變形，經(jīng)過熱處理后，塑性變形更大。裂紋傳播主要發(fā)生在經(jīng)熱處理標(biāo)本中具有更多孔隙的區(qū)域。
圖12. 示意圖，展示通過熱處理實(shí)現(xiàn)的微觀結(jié)構(gòu)控制：(a) 沉積狀態(tài)標(biāo)本；(b) 經(jīng)熱處理標(biāo)本。
圖13. 室溫下測試的沉積狀態(tài)標(biāo)本的斷口表面(a)，裂紋傳播路徑的示意圖(b)和橫截面視圖(c)；經(jīng)熱處理標(biāo)本的斷口表面(d)，裂紋傳播路徑的示意圖(e)和橫截面視圖(f)。
圖14. 在473 K下測試的沉積狀態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的斷口表面(a)和橫截面視圖(b)；經(jīng)熱處理標(biāo)本的斷口表面(c)和橫截面視圖(d)。
圖15. 沉積狀態(tài)標(biāo)本(a)和經(jīng)熱處理標(biāo)本(b)的透射電子顯微鏡（TEM）的亮場圖；從沉積狀態(tài)標(biāo)本(c)和經(jīng)熱處理標(biāo)本(d)的斷口處獲取的電子背散射顯微鏡（EBSD）生成的逆極圖（IPF）和KAM圖，HT表示高溫；(e) 沉積狀態(tài)標(biāo)本和經(jīng)熱處理標(biāo)本的KAM分布；(f) 沉積狀態(tài)標(biāo)本和經(jīng)熱處理標(biāo)本的晶界錯(cuò)配角分布。
