絲材3D打印2024/7055鋁合金梯度結(jié)構(gòu)組織與性能分析

艾 森， 常 亮， 王立凱， 劉長猛， 符 瑞

(1.中國飛機強度研究所計算結(jié)構(gòu)技術(shù)與仿真中心， 西安 710065; 2.北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081)

金屬梯度結(jié)構(gòu)是一種新型輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過激光成型、電弧送絲、激光鋪粉等增材制造技術(shù)(additive manufacturing，AM)，將兩種以上的金屬材料通過加熱熔化沉積連接為一個整體，實現(xiàn)成型與連接同步完成[1-2]。金屬梯度結(jié)構(gòu)的整體成型工藝不僅可以根據(jù)實際需求的強度、剛度、壽命、功能等要求對材料的分布進行合理設(shè)計，而且可以實現(xiàn)梯度區(qū)材料屬性的連續(xù)變化、均勻過渡。憑借著這方面的顯著優(yōu)勢，金屬梯度結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的特殊結(jié)構(gòu)部件(如機翼整體翼梁、機身框過渡區(qū)等)選材中，具有廣闊的應用前景[3]。

正是由于可觀的應用潛力，近年來很多中外學者都對金屬梯度結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計、制備與性能分析等開展了大量的研究工作。Wu等[4]利用激光熔覆沉積(laser engineered net shaping，LENS)技術(shù)實現(xiàn)了316L不銹鋼到Ni25合金的梯度過渡；基于此，Gualtieri等[5]利用LENS技術(shù)沉積了硬質(zhì)合金和不銹鋼的復合涂層；Zhao等[6]利用電子束選區(qū)熔化(SEBM)成型工藝制備了Ti-6Al-4V合金多孔梯度結(jié)構(gòu)，得到的結(jié)構(gòu)性能明顯提高；同樣，F(xiàn)ousová等[7]對Ti-6Al-4V合金梯度結(jié)構(gòu)進行了試驗研究，獲得了梯度結(jié)構(gòu)的力學性能與孔隙率之間的關(guān)系。中國方面，何波等[8]利用激光沉積技術(shù)制備了TC4/TC11雙鈦合金梯度結(jié)構(gòu)，研究了各梯度層組織和性能；趙忠民等[9]利用離心反應熔鑄工藝制備了TiB2基陶瓷/42CrMo合金鋼梯度結(jié)構(gòu)；黃金鑫等[10]、黃傳收等[11]也做了類似的研究。

以上列舉的文獻主要集中在鋼材或鈦合金梯度結(jié)構(gòu)的研究，但是對航空航天裝備結(jié)構(gòu)中大量應用的2系列和7系列高強度輕質(zhì)鋁合金的復合，目前鮮有報道和研究。事實上，2系列鋁合金疲勞性能較好，可經(jīng)受住長時間的拉應力作用和松弛，因此廣泛應用于增壓艙和機翼下蒙皮；而7系列鋁合金的靜強度性能好，可承受較大的壓應力，因此大量地應用于機翼上蒙皮[12]。如果將這兩種材料進行復合，形成2系列/7系列的梯度結(jié)構(gòu)，將極大地發(fā)揮材料各自的優(yōu)勢，從而降低結(jié)構(gòu)的重量。但2系列和7系列鋁合金熱處理參數(shù)差異較大，如果采用傳統(tǒng)鑄造的方式制備，將導致無法兼顧任何一種材料的加工工藝參數(shù)，使整體成型的結(jié)構(gòu)性能不如單一材料的性能。為此，針對鋁合金梯度結(jié)構(gòu)的制備，只能借助于更為先進的增材制造技術(shù)來實現(xiàn)。

增材制造主要分為激光增材制造、電子束增材制造和電弧增材制造三大類。其中，電弧增材制造的主要研究重點是鋁，因為鋁的高反射率使其難以用激光功率制造，而且其成本優(yōu)勢非常有吸引力。絲材電弧增材制造(wire and arc additive manufacturer，WAAM)是以絲材作為原材料，電弧作為高能熱源，一種高效低成本的制造方式[13-14]。為研究2系列和7系列鋁合金梯度結(jié)構(gòu)的可行性，現(xiàn)以航空結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計為應用背景，選取飛機結(jié)構(gòu)中常用的2024鋁合金和7055鋁合金作為復合對象，以多絲材電弧增材制造設(shè)備為基礎(chǔ)，通過傳送不同的絲材實現(xiàn)2024/7055鋁合金梯度結(jié)構(gòu)的整體成型。為進一步研究該梯度結(jié)構(gòu)的成型工藝，通過對梯度材料梯度區(qū)域的宏/微觀組織、成分、氣孔形成原理以及力學性能的分析，驗證絲材3D打印2024/7055鋁合金梯度結(jié)構(gòu)件的工程適用性。研究形成的鋁合金梯度結(jié)構(gòu)制造工藝可部分替代傳統(tǒng)鉚接結(jié)構(gòu)，在飛機主承力框梁結(jié)構(gòu)中具有顯著減重優(yōu)勢。

1 2024/7055鋁合金梯度結(jié)構(gòu)制備工藝

1.1 多絲材電弧增材制造原理

多絲材電弧增材制造設(shè)備宏觀實物如圖1(a)所示，系統(tǒng)的原理如圖1(b)所示，該系統(tǒng)是由鎢極惰性氣體保護焊，控制系統(tǒng)，三軸數(shù)控機床，送絲裝置，焊機電源和熱絲電源組成。與傳統(tǒng)單送絲相比，該設(shè)備采用四送絲裝置，4個送絲裝置同時工作時能大幅提升沉積效率和提高能量利用率。4個送絲裝置選擇不同絲材時，可以實現(xiàn)梯度材料的制造和材料的原位制備。

圖1 多絲材電弧增材制造設(shè)備Fig.1 Multi-wire arc additive manufacturing equipment

為了減少氣孔，增加了一種熱絲輔助裝置。該裝置在電源(Autai HW-200)作用下，絲材電阻會產(chǎn)生電阻熱。電阻熱不僅可以輔助絲材熔化，減少電弧熱輸入，而且可以去除焊絲表面的氫污染物，提高焊絲表面質(zhì)量。較低的電弧熱輸入和較高的絲材質(zhì)量有助于降低鋁合金零件的氣孔率。為實現(xiàn)2024/7055鋁合金梯度材料的制造，在其中兩個送絲裝置分別裝入2024絲材和7055絲材，通過控制系統(tǒng)控制送絲的時間和速度，完成梯度材料的制造。

1.2 增材制造過程描述

將純氬氣(99.99%)的保護氣體流量保持在20 L/min。選用直徑1.2 mm的2024鋁合金和1.2 mm的7055鋁合金絲材作為原材料，經(jīng)鉸直機鉸直后由送絲機送入熔池?；鍨?00 mm×100 mm×5 mm的2024鋁合金板，其表面的氧化物和雜質(zhì)經(jīng)機械拋光后固定在工作臺上，2024絲材、基板及7055絲材的組成如表1所示。通過多絲材電弧增材制造設(shè)備制備了1個高50 mm、長300 mm、寬60 mm的塊體件樣品，其工藝參數(shù)在表2中列出。

表1 基礎(chǔ)材料組成成分Table 1 Composition of basic materials

表2 多絲材電弧增材制造參數(shù)Table 2 Multi-wire arc additive manufacturing parameters

1.3 組織與性能分析方法簡介

針對鋁合金梯度過渡區(qū)域的宏/微觀結(jié)構(gòu)、成分、氣孔和力學等性能，以樣件梯度部分為金相樣本進行分析，如圖2(a)所示。金相樣品先經(jīng)過砂紙打磨，然后拋光機拋光，最后用1 mL 氫氟酸、1.5 mL 鹽酸、2.5 mL 硝酸 和 95 mL 水組成的腐蝕液腐蝕。利用Leica DM 4000 M光學顯微鏡(OM)對微觀結(jié)構(gòu)進行觀察。

圖2 鋁合金梯度區(qū)組織與性能分析樣件Fig.2 Sample for microstructure and properties analysis of aluminum alloy in gradient zone

借助X射線計算機斷層掃描(XCT)檢測氣孔。XCT在150 kV管電壓、60 mA管電流、380 ms暴露時間下進行。利用Avizo 9軟件對XCT測試結(jié)果中的氣孔數(shù)量、當量直徑及空間分布進行統(tǒng)計。當量直徑定義為等體積的球形孔的直徑，如式(1)所示：

(1)

式(1)中:Vpore為孔隙體積；de為當量直徑。

梯度區(qū)域的元素含量測定采用電子探針技術(shù)(EPMA)，其原理是利用聚焦的高能電子束轟擊固體表面，使被轟擊的元素激發(fā)出特征X射線，按其波長及強度對固體表面微區(qū)進行定性及定量化學分析。

為比較不同材料占比的組織及性能，針對2024占比為25%、50%、75%的三組樣件進行拉伸實驗，每組實驗采用4個樣件進行拉伸性能測試，如圖2(a)所示。拉伸樣件如圖2(b)所示。用Instron 5966電子萬能材料試驗機在室溫下以9.8×10-4s-1的應變率進行拉伸測試，通過掃描電鏡觀察相應的斷口形貌。

2 鋁合金梯度區(qū)組織及性能分析

2.1 宏觀現(xiàn)象描述

利用上述增材制造方法進行2024/7055鋁合金梯度結(jié)構(gòu)的3D打印，制造出如圖3所示的金屬梯度零件。零件的下半部分為2024鋁合金，中間為過渡區(qū)域，上半部分為7055鋁合金。整個沉積過程穩(wěn)定，零件表面光滑，沒有明顯的缺陷和明顯的材料界面。可見，利用多絲材電弧增材制造技術(shù)可以實現(xiàn)2024/7055梯度材料的3D打印。

圖3 梯度材料的宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphology of gradient material

2.2 微觀組織結(jié)構(gòu)描述

圖4為鋁合金梯度區(qū)域的金相組織。由圖4可見，沿著沉積方向分別為2024鋁合金→梯度區(qū)域→7055鋁合金。2024需要的腐蝕時間較短，而7055需要的腐蝕時間較長，腐蝕過程中為了能夠觀察7055鋁合金的晶粒形貌，將整個梯度件腐蝕時間選擇為7055鋁合金所需要的時間。因此，2024晶體顏色稍深是因為其腐蝕過度造成的。梯度區(qū)域2024部分呈現(xiàn)出比較規(guī)則的等軸晶晶粒，且晶粒尺寸相對較?。?055部分呈現(xiàn)為不規(guī)則的短柱狀晶，生長方向沿著沉積方向。

圖4 鋁合金梯度區(qū)域的金相組織Fig.4 Metallographic structure of aluminum alloy gradient zone

鋁合金晶粒的生長主要由形核數(shù)量決定，冷卻速度對形核數(shù)量有很大的影響。打印2024過程中，隨著沉積過程的繼續(xù)，開始熱輸入較高，后面逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后散熱均勻，冷卻速度快，晶粒形態(tài)也逐漸由短柱狀晶生長為等軸晶。梯度的2024部分已經(jīng)是熱輸入穩(wěn)定，散熱均勻的打印過程，所以呈現(xiàn)出等軸晶形態(tài)。打印完成2024后，進行了冷卻。開始沉積7055時，基板(2024部分)溫度較低，需要的熱輸入增加，熱流液態(tài)金屬流向為最大梯度方向，即流向沉積方向的反方向。7055組織生長方向垂直于沉積方向，形成較大的柱狀枝晶，即與熱流方向相反，并且可以清晰地看到隨著沉積繼續(xù)，粗大的短柱狀晶逐漸變?yōu)榧毿〉亩讨鶢罹АＷ詈?，隨著沉積過程繼續(xù)，熱流沿著空間上逐漸均勻流動，所以微觀組織呈現(xiàn)出等軸晶的形態(tài)。

2.3 樣件氣孔特征

增材制造鋁合金中的氣孔問題是WAAM加工過程中的一個重大挑戰(zhàn)。為了進一步分析氣孔，采用XCT對梯度部分樣品進行測試，XCT圖像可以反映出氣孔的總數(shù)、平均直徑和空間分布。提取氣孔并用藍色標記而不顯示固體鋁，相應的三維重建投影如圖5(a)所示。為了研究它們的空間分布，所有氣孔在X-Z平面上的投影如圖5(b)所示。投影顯示，氣孔并不是完全隨機分布在整個區(qū)域，而是呈現(xiàn)出規(guī)則的條狀分布。氣孔的典型特征統(tǒng)計在表3。

圖5 3D打印鋁合金氣孔三維/二維重建投影Fig.5 Three-dimensional/two-dimensional reconstruction projection of 3D printed aluminum alloy stomata

表3 氣孔的特征Table 3 Characteristics of stomata

從空間分布上看，氣孔主要位于熔池頂部，因為該區(qū)域內(nèi)的氣泡沒有足夠的機會從熔池中逸出。在電弧增材制造過程中，沉積層表面容易形成氧化膜層，這可能會阻礙孔隙的分離和逸出，甚至由于后續(xù)層的再熔化而產(chǎn)生氣孔。同時，再熔化區(qū)的高溫環(huán)境有利于氣孔的形成和生長。此外，梯度過渡區(qū)域具有更多的氣孔，這是因為在完成2024鋁合金制造后進行了冷卻。快速的冷卻以及后續(xù)打印7055前幾層時更高的熱輸入都利于氣孔的產(chǎn)生，而抑制氣孔的溢出，從而導致該區(qū)域出現(xiàn)大量的氣孔。

一般而言，導致大量氣孔產(chǎn)生的原因主要為金屬絲材表面的水分、油脂等氫污染物在高溫條件下會分解蒸發(fā)產(chǎn)生而氫氣。為降低由氫污染物造成的氣孔率問題，可以采用熱絲電弧增材制造技術(shù)來改善和提高絲材的表面質(zhì)量。原理如圖6所示，當絲材與基體或零件之間電路連通時，絲材的導通段由于鋁合金自身的電阻而產(chǎn)生一定的電阻熱。通過在金屬絲材進入熔池前的高溫來蒸發(fā)和分解金屬絲表面的氫污染物，從而提高絲材的表面質(zhì)量。絲材上氫含量的顯著降低會消除氣孔的來源，從而增加鋁合金構(gòu)件的密度。另外，熱絲的應用可以大幅度降低電弧熱輸入，進一步降低抑制氣孔的產(chǎn)生和生長，有利于降低零件的氣孔率[15]。

圖6 熱絲對絲材表面條件的改善[15]Fig.6 The improvement of the hot wire for the surface condition[15]

2.4 梯度區(qū)成分檢測

如圖7所示，通過對梯度過渡區(qū)進行EPMA成分檢測可以看出，2024鋁合金與7055鋁合金的金屬元素含量差異主要集中在Zn元素。對于7055鋁合金來說，Mg和Zn的含量較高。Zn為7.6%～8.4%，Mg為1.8%～2.3%，Zn/Mg 比大于3。Zn、Mg和Cu對熱處理效果的影響是不同的。增加Zn和Mg的濃度能同時提高淬火和時效效應。但是，當合金中含Zn多于5%時，加入Cu元素后，固溶體濃度發(fā)生改變，因此只影響淬火效應。在合金中主要形成強化相MgZn2相。MgZn2相在合金中的溶解度隨溫度的降低而急劇下降，具有很強的時效硬化能力。在固溶限范圍內(nèi)，提高Zn、Mg的含量可以大大提高強度，但會導致合金的韌性和抗應力腐蝕性能降低。因此，從100%比例2024到100%比例7055，隨著Zn含量的不斷升高，強度也逐漸提升。

圖7 EPMA成分檢測Fig.7 EPMA composition testing

2.5 力學性能分析

對多絲材電弧增材制造2024/7055梯度鋁合金零件按照不同比例梯度進行力學性能的實驗，包括2024(25%)/7055(75%)、2024(50%)/7055(50%)、2024(75%)/7055(25%)三種比例，每個比例進行了4組實驗，測試結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，2024(50%)/7055(50%)時力學性能最差，2024(25%)/7055(75%)性能最好。

圖8 三種比例梯度材料的力學性能Fig.8 Mechanical properties of three proportional gradient materials

鋁合金的拉伸性能主要由微觀組織、成分和氣孔決定。微觀組織通過晶粒的形貌和尺寸影響拉伸性能。根據(jù)Hall-patch公式，更小的晶粒尺寸更有利于提高材料強度。氣孔降低了力學性能，因為它促進了裂紋的擴展，尤其是在大直徑孔隙中，這使得承載面積更小，承載力更低，更容易發(fā)生斷裂。對于2024(50%)/7055(50%)，顯然更多的氣孔導致了較差的力學性能。而2024(25%)/7055(75%)比2024(75%)/7055(25%)具有更好的性能，雖然2024具有更細小的晶粒，但7055合金里含有更多的強化相元素，這也是7055合金強度比2024合金強度高的原因。

3 結(jié)論

(1)利用多絲材電弧增材制造技術(shù)實現(xiàn)了航空結(jié)構(gòu)中常用的2024/7055鋁合金梯度結(jié)構(gòu)的整體成型，梯度過渡區(qū)域過渡連續(xù)、連接良好。

(2)微觀組織結(jié)構(gòu)顯示出：梯度區(qū)域2024鋁合金由等軸晶晶粒組成，7055鋁合金由不規(guī)則的短柱狀晶；氣孔在空間投影中呈現(xiàn)出規(guī)則的條狀分布，可以利用熱絲電弧增材制造技術(shù)降低零件的氣孔率；兩種鋁合金的Zn元素含量不同，導致鋁合金強度差異較大。

(4)材料占比為2024(25%)/7055(75%)時，樣件的力學性能最好，此時，抗拉強度達到514.7 MPa，延伸率為7.8，性能折損率低于10%。