增材制造铝合金创新探索实现超高强度与各向同性

摘要：本研究采用定制的Al-Zn-Mg-Cu-Sc填充丝，并结合WA-DED和层间FSP工艺，制造了一种合金，不仅消除了所有孔隙缺陷，而且在T6热处理后未出现AGG现象，实现了力学性能的各向同性，创下了WA-DED铝合金领域的最高纪录。该方法为在增材制造过程中消除缺

导读

本研究采用定制的Al-Zn-Mg-Cu-Sc填充丝，并结合WA-DED和层间FSP工艺，制造了一种合金，不仅消除了所有孔隙缺陷，而且在T6热处理后未出现AGG现象，实现了力学性能的各向同性，创下了WA-DED铝合金领域的最高纪录。该方法为在增材制造过程中消除缺陷和实现铝合金的各向同性提供了一种可行途径。

电弧定向能量沉积（WA-DED）是一种先进的增材制造（AM）技术，利用电弧作为热源，沿预定路径以可控的方式逐层熔化和沉积填充丝，具有高材料利用率和设计适应性，特别适合制造大型近净形金属部件。随着航空航天行业需求的增加，Al-Zn-Mg-Cu（7xxx）铝合金因其轻量化和高强度特性而被广泛应用于WA-DED技术。然而，尽管WA-DED超高强度7xxx铝合金在航空航天领域需求巨大，相关研究却相对有限。孔隙缺陷是铝合金的线弧定向能量沉积（WA-DED）中最关键的问题，限制了其在航空航天和运输领域的应用。

层间搅拌处理（FSP）作为一种创新的复合技术，通过引入剧烈塑性变形显著改善了微观结构，有效解决了孔隙缺陷，还显著提升了其拉伸和疲劳性能。然而， FSP处理的铝合金在后续热处理过程中容易出现异常晶粒长大（AGG），导致力学性能大幅下降。

近日，澳大利亚的研究团队联合中科院金属所通过在Al7055中添加Sc和Zr元素，并通过后续热处理实现了均匀分布的纳米级第二相析出，从而提升了力学性能和热稳定性。相关工作以题为“Achieving isotropic ultra-high strength and fatigue properties in a wire arc directed energy deposited Al-Zn-Mg-Cu-Sc alloy via interlayer friction stir processing ”发表于期刊《Materials Science and Engineering: A》。

WA-DED和T6条件下的微观结构由细小等轴晶粒组成，经过层间FSP处理后，平均晶粒尺寸显著细化至（1.1±0.2） µm，且T6热处理后未出现异常晶粒长大现象。WA-DED条件下的微观结构主要由粗大的ηMg(Zn,Cu,Al)2相组成。经过T6热处理后，晶粒内析出了大量的纳米级η'相、G.P.区和二次Al3(Sc, Zr)相，显著提升了合金的强度。层间FSP处理后析出相的尺寸和数量无显著差异，表明拉伸强度的差异并非由于析出相，而是由于晶粒尺寸的变化和孔隙缺陷的消除。

WA-DED的抗拉强度和伸长率仅为350 MPa和4%。经过T6处理后，强度显著提升至（618 ± 4）MPa和（611 ± 5） MPa，主要归因于纳米级IGPs的大量析出。然而，由于孔隙缺陷的存在，塑性仍然很低。层间FSP处理后，塑性显著提升。经过T6热处理的层间FSP试样在拉伸强度和塑性方面显著优于T6条件，实现了各向同性。主要原因在于纳米级析出相的均匀分布和孔隙缺陷的完全消除。

WA-DED和T6试样的疲劳性能分别为94 MPa和140 MPa，疲劳断裂起始于孔隙缺陷。经过层间FSP处理后，疲劳性能提升至170 MPa，这归因于孔隙缺陷的消除。经过T6热处理后，层间FSP试样的疲劳性能显著提升至250 MPa，在水平和垂直方向上均实现了各向同性。疲劳断裂主要发生在未溶解到铝基体中的粗大二次相。