導論：本研究采用電弧增材制造技術(shù)成功制備了具有高強度和延展性的Al-Zn-Mg-Cu合金。創(chuàng)新地研究了復合加工（非均相顆粒和熱處理）對Al-Zn-Mg-Cu合金電弧增材制造沉積的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能的影響。

經(jīng)過復合處理，沉積的晶粒形貌成功地從粗柱狀晶體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿牡容S晶體，極大地促進了納米沉淀相的析出。深入研究了微觀結(jié)構(gòu)對力學性能的影響。由于微觀結(jié)構(gòu)的改變，材料的抗拉強度從206.8±14.3 MPa增加到503.6±10.1 MPa（水平方向）和256.2±13.1 MPa增加到501.2±10.0 MPa（垂直方向），伸長率從4.1±0.9%增加到10.9±1.0%（水平方向）和6.6±0.3%到13.4±0.3%（垂直方向），硬度也從117.9 HV增加到197.9 HV。

最后，研究表明，復合加工不僅促進了強度和伸長率的同時增加，而且大大提高了沉積的各向異性。細晶粒強化是提高伸長率的主要機理。降水強化是強化實力的主要機理。本研究可為提高線弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的強度和伸長率提供理論指導，從而促進工程應用。

由于其優(yōu)異的機械性能，高比強度和疲勞韌性，Al-Zn-Mg-Cu合金廣泛用于航空航天應用的復雜，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件，例如飛機機身和翼肋。然而，在DebRoy等人（2018）的研究中，大型和復雜的結(jié)構(gòu)零件仍然通過減少制造來制造，導致材料浪費，加工周期長以及對加工工具的嚴格要求。

因此，升級和創(chuàng)新傳統(tǒng)制造迫在眉睫。線弧增材制造（WAAM）使用連續(xù)的“線”作為基本配置單元，零件尺寸不受成型缸設(shè)備和真空室尺寸的限制。Wu等人（2018）的研究發(fā)現(xiàn)，這可以“自由制造”復雜結(jié)構(gòu)零件。

Wang等人（2017）指出，本實用新型大大提高了材料利用率，特別適用于大型復雜飛機部件的低成本快速成型。然而，目前的研究主要集中在Al-Mg，Al-Cu和Al-Si合金上。Ryan等人（2018）發(fā)現(xiàn)，由于高溫電弧源在熔池的自由凝固過程中形成松散的粗晶粒和缺陷，例如孔隙和裂縫。

因此，沉積鋁合金的機械性能不能滿足要求。Klein等人，2021a，Klein等人，2021b通過使用定制焊絲改善了Al-Zn-Mg-Cu合金WAAM沉積部件的性能，但性能提升很小。Morais等人（2020）報道，Al-Zn-Mg-Cu線材助劑沉積部件采用冷金屬傳遞脈沖先進（CMT-PADV）技術(shù)制造，發(fā)現(xiàn)雖然沉積部件的性能有所提高，但仍存在缺陷。常用的材料強化方法導致拉伸強度的單方面提高;然而，同時強度和伸長率的改善受到限制。

Al-Zn-Mg-Cu合金是可熱處理的，這是主要的機械強化方法之一。Klein等人，2021a，Klein等人，2021b發(fā)現(xiàn)，熱處理顯著提高了通過WAAM制備的Al-Zn-Mg-Cu的硬度，但綜合性能較弱。Wang等人，2020a，Wang等人，2020b對含有微量元素的鑄Al-Zn-Mg-Cu進行了固溶熱處理，Al-WAAM沉積層的拉伸強度增加了約70 MPa，伸長率降低。Moon等人（2021）對三種不同冷卻條件下Al-Zn-Mg-Cu軋制板的熱處理進行了測試和模擬，發(fā)現(xiàn)熱處理后伸長率明顯下降，水冷試樣的拉伸強度增加，但伸長率較弱。

Wei等人（2020）比較了不同時效處理對噴霧沉積法制備的Al-Zn-Mg-Cu組分性能的影響，發(fā)現(xiàn)強度和伸長率受到影響。Xie等人（2019）對鍛造Al-Zn-Mg-Cu進行了不同的熱處理，并報告說，通過T6熱處理，拉伸強度增加到678 MPa，但伸長率僅為9%。在Wang等人，2020a，Wang等人，2020b中，對壓鑄Al-Zn-Mg-Cu進行非等溫時效熱處理以提高強度和伸長率?？估瓘姸忍岣叩?80 MPa，但伸長率僅為9.76%。強度-伸長率的權(quán)衡也對金屬材料的強化提出了很大的挑戰(zhàn)。

對晶粒細化方法的研究為提高鋁合金伸長率提供了有用的信息。Yang等人（2019）提出，在熱擠壓成型過程中加入TiC顆粒，對Al-Cu-Mg合金中的晶粒進行精煉，從而降低了應力集中并增加了伸長率。

然而，晶粒細化對拉伸強度幾乎沒有影響。Martin et al. （2017） 添加了 ZrH2在激光增材制造過程中，顆粒轉(zhuǎn)化為Al-Zn-Mg-Cu合金，由于柱狀晶體轉(zhuǎn)化為等軸晶體，從而獲得高機械性能，從而減少了內(nèi)部缺陷并改善了伸長率。然而，拉伸強度的改善并不顯著。Wang等人（2019）報道，通過添加Ti粉，Al-Mg合金電弧添加劑沉積的晶粒尺寸得到細化，性能得到改善。

提高拉伸強度同時提高伸長率的方法已成為鋁合金的緊迫研究重點。在這里，北京工業(yè)大學Xuelei Ren等人基于WAAM特性和Al-Zn-Mg-Cu合金的機械性能進行了復合加工方法。最初，在WAAM期間通過添加非均相顆粒來精煉基質(zhì)顆粒。然后，熱處理增加了沉積部件的抗拉強度。

因此，獲得了高強度和伸長率，而無需進行強度- 延展性權(quán)衡。相關(guān)研究以題“Microstructure and properties research of Al-Zn-Mg-Cu alloy with high strength and high elongation fabricated by wire arc additive manufacturing”發(fā)表在Journal of Materials processing Technology上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0924013622001777

圖 1.WAAM沉積過程和采樣位置。

圖 2.熱處理和TiN顆粒對晶粒形態(tài)的影響（a）沉積;（b） T6沉積;（c） TiN 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

圖 3.（a）晶粒形貌，（b）晶粒比例和晶粒尺寸變化趨勢的電子反向散射衍射結(jié)果;（c） 晶粒形態(tài)，（d） TiN沉積的晶粒尺寸比例和變化趨勢;（e） 晶粒形態(tài)，（f） T6沉積晶粒尺寸的比例和變化趨勢;（g）TiN+T6沉積的晶粒形態(tài)，（h）晶粒尺寸的比例和變化趨勢。

圖 4.（a） 沉積的紋理強度;（b） 鈦沉積;（c） T6 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

圖 5.（a） 沉積的掃描電子顯微照片;（b） 鈦沉積;（c） T6沉積;（d） TiN+T6沉積;（e）共晶結(jié)構(gòu)和（f）沉淀。

圖 6.（a） 作為沉積的X射線衍射結(jié)果;（b） 鈦沉積;（c） T6 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

圖 7.（a） 作為沉積的元素富集;（b） 鈦沉積;（c） T6沉積。

圖 8.鋁鋅鎂銅沉積的水平和垂直拉伸強度。

圖 9.透射電子顯微鏡沿[110]鋁方向。（a） 相，（b） BOX 1 的快速傅里葉變換 （FFT） 衍射圖和 （c） 的晶格參數(shù)模式;（d） 吉尼爾-普雷斯頓區(qū)，（e） BOX 2的FFT衍射圖和（f） GP區(qū)的晶格參數(shù)模式。

圖 10.透射電子顯微鏡沿[110]鋁（a） 作為沉積的方向;（b） TiN-沉積;（c） T6 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

圖 11.細晶強化和各向異性的增強機理示意圖.（a）水平和（b）垂直方向的沉積;TiN在（c）水平方向和（d）垂直方向上的沉積。

結(jié)論：本研究旨在同時提高Al-Zn-Mg-Cu合金線材電弧添加劑沉積的強度和伸長率。通過復合加工（非均相顆粒和熱處理）成功地改善了沉積物的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能。基于微觀結(jié)構(gòu)表征和力學性能測試，全面研究了微觀結(jié)構(gòu)演化與力學性能的相關(guān)性。結(jié)論總結(jié)如下：

(1)在非均相顆粒處理階段，TiN顆粒改善了沉積的自由凝固過程，增加了非均相成核位點。沉積的晶粒形態(tài)從柱狀晶體完全轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶體。晶粒尺寸從692.6 μm減小到89.2 μm，高角度晶界比例增加，晶粒取向更加隨機，織構(gòu)強度降低。在熱處理階段，沉積中元素的偏析減弱，沉積中納米沉淀相的析出大大促進。

(2)復合材料加工后的沉積顯示出優(yōu)異的機械性能。沉積物的水平和垂直伸長率分別達到10.9±1.0%和13.4±0.3%，分別比沉積層高165.9%和103.0%。細晶粒強化是提高伸長率的主要機理。

(3)沉積層的水平和垂直抗拉強度分別為503.6±10.1 MPa和501.2±10.0 MPa，分別比沉積層高143.5%和95.6%。維氏硬度平均從117.9 HV增加到197.9 HV。降水強化是強化實力的主要機理。由于微觀結(jié)構(gòu)的改變，沉積的各向異性降低。

(4)Al-Zn-Mg-Cu合金經(jīng)過復合加工后的線弧添加劑沉積，達到了商用AA7050的性能水平，可作為其工業(yè)應用的寶貴指導。

來源：材料學網(wǎng)

導論：本研究采用電弧增材制造技術(shù)成功制備了具有高強度和延展性的Al-Zn-Mg-Cu合金。創(chuàng)新地研究了復合加工（非均相顆粒和熱處理）對Al-Zn-Mg-Cu合金電弧增材制造沉積的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能的影響。

經(jīng)過復合處理，沉積的晶粒形貌成功地從粗柱狀晶體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿牡容S晶體，極大地促進了納米沉淀相的析出。深入研究了微觀結(jié)構(gòu)對力學性能的影響。由于微觀結(jié)構(gòu)的改變，材料的抗拉強度從206.8±14.3 MPa增加到503.6±10.1 MPa（水平方向）和256.2±13.1 MPa增加到501.2±10.0 MPa（垂直方向），伸長率從4.1±0.9%增加到10.9±1.0%（水平方向）和6.6±0.3%到13.4±0.3%（垂直方向），硬度也從117.9 HV增加到197.9 HV。

最后，研究表明，復合加工不僅促進了強度和伸長率的同時增加，而且大大提高了沉積的各向異性。細晶粒強化是提高伸長率的主要機理。降水強化是強化實力的主要機理。本研究可為提高線弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的強度和伸長率提供理論指導，從而促進工程應用。

由于其優(yōu)異的機械性能，高比強度和疲勞韌性，Al-Zn-Mg-Cu合金廣泛用于航空航天應用的復雜，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件，例如飛機機身和翼肋。然而，在DebRoy等人（2018）的研究中，大型和復雜的結(jié)構(gòu)零件仍然通過減少制造來制造，導致材料浪費，加工周期長以及對加工工具的嚴格要求。

因此，升級和創(chuàng)新傳統(tǒng)制造迫在眉睫。線弧增材制造（WAAM）使用連續(xù)的“線”作為基本配置單元，零件尺寸不受成型缸設(shè)備和真空室尺寸的限制。Wu等人（2018）的研究發(fā)現(xiàn)，這可以“自由制造”復雜結(jié)構(gòu)零件。

Wang等人（2017）指出，本實用新型大大提高了材料利用率，特別適用于大型復雜飛機部件的低成本快速成型。然而，目前的研究主要集中在Al-Mg，Al-Cu和Al-Si合金上。Ryan等人（2018）發(fā)現(xiàn)，由于高溫電弧源在熔池的自由凝固過程中形成松散的粗晶粒和缺陷，例如孔隙和裂縫。

因此，沉積鋁合金的機械性能不能滿足要求。Klein等人，2021a，Klein等人，2021b通過使用定制焊絲改善了Al-Zn-Mg-Cu合金WAAM沉積部件的性能，但性能提升很小。Morais等人（2020）報道，Al-Zn-Mg-Cu線材助劑沉積部件采用冷金屬傳遞脈沖先進（CMT-PADV）技術(shù)制造，發(fā)現(xiàn)雖然沉積部件的性能有所提高，但仍存在缺陷。常用的材料強化方法導致拉伸強度的單方面提高;然而，同時強度和伸長率的改善受到限制。

Al-Zn-Mg-Cu合金是可熱處理的，這是主要的機械強化方法之一。Klein等人，2021a，Klein等人，2021b發(fā)現(xiàn)，熱處理顯著提高了通過WAAM制備的Al-Zn-Mg-Cu的硬度，但綜合性能較弱。Wang等人，2020a，Wang等人，2020b對含有微量元素的鑄Al-Zn-Mg-Cu進行了固溶熱處理，Al-WAAM沉積層的拉伸強度增加了約70 MPa，伸長率降低。Moon等人（2021）對三種不同冷卻條件下Al-Zn-Mg-Cu軋制板的熱處理進行了測試和模擬，發(fā)現(xiàn)熱處理后伸長率明顯下降，水冷試樣的拉伸強度增加，但伸長率較弱。

Wei等人（2020）比較了不同時效處理對噴霧沉積法制備的Al-Zn-Mg-Cu組分性能的影響，發(fā)現(xiàn)強度和伸長率受到影響。Xie等人（2019）對鍛造Al-Zn-Mg-Cu進行了不同的熱處理，并報告說，通過T6熱處理，拉伸強度增加到678 MPa，但伸長率僅為9%。在Wang等人，2020a，Wang等人，2020b中，對壓鑄Al-Zn-Mg-Cu進行非等溫時效熱處理以提高強度和伸長率?？估瓘姸忍岣叩?80 MPa，但伸長率僅為9.76%。強度-伸長率的權(quán)衡也對金屬材料的強化提出了很大的挑戰(zhàn)。

對晶粒細化方法的研究為提高鋁合金伸長率提供了有用的信息。Yang等人（2019）提出，在熱擠壓成型過程中加入TiC顆粒，對Al-Cu-Mg合金中的晶粒進行精煉，從而降低了應力集中并增加了伸長率。

然而，晶粒細化對拉伸強度幾乎沒有影響。Martin et al. （2017） 添加了 ZrH2在激光增材制造過程中，顆粒轉(zhuǎn)化為Al-Zn-Mg-Cu合金，由于柱狀晶體轉(zhuǎn)化為等軸晶體，從而獲得高機械性能，從而減少了內(nèi)部缺陷并改善了伸長率。然而，拉伸強度的改善并不顯著。Wang等人（2019）報道，通過添加Ti粉，Al-Mg合金電弧添加劑沉積的晶粒尺寸得到細化，性能得到改善。

提高拉伸強度同時提高伸長率的方法已成為鋁合金的緊迫研究重點。在這里，北京工業(yè)大學Xuelei Ren等人基于WAAM特性和Al-Zn-Mg-Cu合金的機械性能進行了復合加工方法。最初，在WAAM期間通過添加非均相顆粒來精煉基質(zhì)顆粒。然后，熱處理增加了沉積部件的抗拉強度。

因此，獲得了高強度和伸長率，而無需進行強度- 延展性權(quán)衡。相關(guān)研究以題“Microstructure and properties research of Al-Zn-Mg-Cu alloy with high strength and high elongation fabricated by wire arc additive manufacturing”發(fā)表在Journal of Materials processing Technology上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0924013622001777

圖 1.WAAM沉積過程和采樣位置。

圖 2.熱處理和TiN顆粒對晶粒形態(tài)的影響（a）沉積;（b） T6沉積;（c） TiN 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

圖 3.（a）晶粒形貌，（b）晶粒比例和晶粒尺寸變化趨勢的電子反向散射衍射結(jié)果;（c） 晶粒形態(tài)，（d） TiN沉積的晶粒尺寸比例和變化趨勢;（e） 晶粒形態(tài)，（f） T6沉積晶粒尺寸的比例和變化趨勢;（g）TiN+T6沉積的晶粒形態(tài)，（h）晶粒尺寸的比例和變化趨勢。

圖 4.（a） 沉積的紋理強度;（b） 鈦沉積;（c） T6 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

圖 5.（a） 沉積的掃描電子顯微照片;（b） 鈦沉積;（c） T6沉積;（d） TiN+T6沉積;（e）共晶結(jié)構(gòu)和（f）沉淀。

圖 6.（a） 作為沉積的X射線衍射結(jié)果;（b） 鈦沉積;（c） T6 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

圖 7.（a） 作為沉積的元素富集;（b） 鈦沉積;（c） T6沉積。

圖 8.鋁鋅鎂銅沉積的水平和垂直拉伸強度。

圖 9.透射電子顯微鏡沿[110]鋁方向。（a） 相，（b） BOX 1 的快速傅里葉變換 （FFT） 衍射圖和 （c） 的晶格參數(shù)模式;（d） 吉尼爾-普雷斯頓區(qū)，（e） BOX 2的FFT衍射圖和（f） GP區(qū)的晶格參數(shù)模式。

圖 10.透射電子顯微鏡沿[110]鋁（a） 作為沉積的方向;（b） TiN-沉積;（c） T6 沉積和 （d） TiN+T6 沉積。

圖 11.細晶強化和各向異性的增強機理示意圖.（a）水平和（b）垂直方向的沉積;TiN在（c）水平方向和（d）垂直方向上的沉積。

結(jié)論：本研究旨在同時提高Al-Zn-Mg-Cu合金線材電弧添加劑沉積的強度和伸長率。通過復合加工（非均相顆粒和熱處理）成功地改善了沉積物的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能。基于微觀結(jié)構(gòu)表征和力學性能測試，全面研究了微觀結(jié)構(gòu)演化與力學性能的相關(guān)性。結(jié)論總結(jié)如下：

(1)在非均相顆粒處理階段，TiN顆粒改善了沉積的自由凝固過程，增加了非均相成核位點。沉積的晶粒形態(tài)從柱狀晶體完全轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶體。晶粒尺寸從692.6 μm減小到89.2 μm，高角度晶界比例增加，晶粒取向更加隨機，織構(gòu)強度降低。在熱處理階段，沉積中元素的偏析減弱，沉積中納米沉淀相的析出大大促進。

(2)復合材料加工后的沉積顯示出優(yōu)異的機械性能。沉積物的水平和垂直伸長率分別達到10.9±1.0%和13.4±0.3%，分別比沉積層高165.9%和103.0%。細晶粒強化是提高伸長率的主要機理。

(3)沉積層的水平和垂直抗拉強度分別為503.6±10.1 MPa和501.2±10.0 MPa，分別比沉積層高143.5%和95.6%。維氏硬度平均從117.9 HV增加到197.9 HV。降水強化是強化實力的主要機理。由于微觀結(jié)構(gòu)的改變，沉積的各向異性降低。

(4)Al-Zn-Mg-Cu合金經(jīng)過復合加工后的線弧添加劑沉積，達到了商用AA7050的性能水平，可作為其工業(yè)應用的寶貴指導。

來源：材料學網(wǎng)