激光電弧復(fù)合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的形成機(jī)理:顯微組織評價(jià)與機(jī)械性能（2）
時間：2022-04-21 10:23 來源：江蘇激光聯(lián)盟 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：本文探討了 激光電弧復(fù)合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的形成機(jī)理。本文為第二部分。
3.3. 第二相與合金元素分布
Al-Zn-Mg-Cu合金中含有大量溶質(zhì)元素，因而存在多種第二相，如MgZn2(η相)、Al2Mg3Zn3 (T相)、Al2CuMg (S相)。對Al-Zn-Mg-Cu合金絲以及WAAM和LAHAM試樣進(jìn)行XRD分析，如圖6所示。熔覆試樣中有α-Al、η和S相的衍射峰，而金屬絲中沒有S相的衍射峰。這可能是由于金屬絲中的銅大部分溶解在鋁基體中。在增材制造的快速凝固過程中，更多的銅以S相的形式存在，如XRD圖所示。LAHAM試樣的Al(111)Bragg強(qiáng)度較WAAM試樣低，而Al(200)試樣的Bragg強(qiáng)度較WAAM試樣強(qiáng)。(111)Al/(200)Al的強(qiáng)度比可以作為紋理的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，說明LAHAM試樣的織構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)酢＿@一現(xiàn)象在3.2節(jié)EBSD的結(jié)論中得到了驗(yàn)證。
圖6 Al-Zn-Mg-Cu合金絲、WAAM和LAHAM試樣的XRD光譜。
圖7為WAAM和LAHAM試樣在YOZ平面的詳細(xì)顯微圖。根據(jù)第二相的形狀和顏色，在鋁基體中識別出三個相。分布在晶界處的白色相呈片層狀結(jié)構(gòu)，如圖7b放大圖所示。此外，顆粒內(nèi)部還分布著白色顆粒相。白色相的EDS分析如表4（P2和P3）所示，以確定化學(xué)成分。這些白色相的元素含量相似。主要元素為鋁、鋅、鎂和銅，可推斷為與鋁基體共晶。Mondal等人發(fā)現(xiàn)，鋁合金中較高的Zn/Mg比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)比>2.5）有利于η相的形成。
由于在現(xiàn)有的Al-Zn-Mg-Cu合金絲中，Zn/Mg比值約為5.4（>2.5），結(jié)合XRD光譜，共晶中占主導(dǎo)地位的第二相應(yīng)為η相。然而，一些鋁和銅原子溶解在白色相中形成共晶，這與Chung等人的研究類似。這是因?yàn)殇X和銅原子可以很容易地取代鋅原子形成固溶體，而不會影響晶格結(jié)構(gòu)。如圖7b中的箭頭所示，可見灰色相粘附在白色共晶上。EDS分析結(jié)果(P4)表明，灰色相為Al 40.56 wt%， Zn 4.07 wt%， Mg 15.81 wt%， Cu 39.56 wt%，接近S相的化學(xué)計(jì)量比。圖7c和d分別顯示了WAAM試樣中AZ和HAZ的背散射電子（BSE）圖像。AZ和HAZ中共晶的形態(tài)和分布存在顯著差異。AZ中的大多數(shù)共晶集中在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的晶界，而很少有共晶分布在晶粒內(nèi)部。根據(jù)Al-Zn-Mg-Cu合金的Scheil模型中的凝固路徑，高熔點(diǎn)α-Al相首先形核并生長。Zn、Mg和Cu等溶質(zhì)過飽和，不能完全溶解在α-Al基體中。溶質(zhì)排放到晶界，形成低熔點(diǎn)共晶。由于增材制造的重熔效應(yīng)，熱影響區(qū)的共晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇志ОY(jié)構(gòu)，垂直于熔池邊界分布。對于LAHAM試樣，集中在AZ晶界處的共晶變小(圖7e)。LZ最顯著的特征是顆粒共晶彌散在晶粒內(nèi)部(圖7f)。
圖7 Al-Zn-Mg-Cu合金沉積試樣的SEM顯微組織圖像:(a)第二相的形貌，(b)第二相的放大圖，(c) WAAM試樣中的AZ， (d) WAAM試樣中的HAZ， (e) LAHAM試樣中的AZ， (f) LAHAM試樣中的LZ。
為了進(jìn)一步識別元素在微觀尺度上的分布，EPMA圖像顯示W(wǎng)AAM和LAHAM試樣中Al、Zn、Mg、Cu的分布，如圖8所示。圖8a中的虛線是WAAM試件中HAZ和AZ的邊界。鋅、鎂、銅元素主要以胞狀結(jié)構(gòu)分布在熱影響區(qū)。此外，AZ中的元素主要集中在網(wǎng)絡(luò)的晶界處，而較少分布在晶粒內(nèi)部。如圖8b所示，LAHAM試樣的LZ中元素分布均勻，元素富集減輕。Zn、Mg、Cu在沉積試樣中富集，溶質(zhì)分布系數(shù)均小于1，表明元素偏析。
掃描電鏡觀察到共晶和粗大的第二相。此外，還需要通過TEM、HRTEM和STEM進(jìn)一步研究納米析出相的詳細(xì)特征。圖9a和c為WAAM和LAHAM試樣的BSE圖像。結(jié)果表明，在不同的工藝條件下，析出相在數(shù)量和位置分布上存在顯著差異。從BF-TEM圖像(圖9b)可以看出，WAAM試樣中納米析出相僅存在于晶界粗共晶附近。它們的數(shù)量很小，但長度很大，超過150納米。如圖9c和d所示，LAHAM試樣中析出相的一致性明顯高于WAAM試樣。從整體上看，晶粒內(nèi)部彌散分布著大量粒徑較小的析出相。
析出相是影響Al-Zn-Mg-Cu合金機(jī)械性能的決定性因素。因此，應(yīng)研究不同析出相的特征及其演化。Al-Zn-Mg-Cu合金的析出順序?yàn)?過飽和固溶體(SSS)→GP區(qū)(GP)→亞穩(wěn)態(tài)η′相→穩(wěn)定η相(MgZn2)。在WAAM試樣中，如BF-TEM圖像(圖10a)所示，Al基體中分布著針狀、棒狀和多邊形的析出相。分析圖10c和d中Al區(qū)軸的選區(qū)電子衍射(SAED)圖和HRTEM圖像，進(jìn)一步識別析出相的類型。SAED和HRTEM結(jié)果表明，α-Al相中出現(xiàn)的針狀和棒狀析出相均為η相，長度約為200 nm。它們的方位關(guān)系確定為[1̅21̅6]η // [211]Al，(011̅1̅)η //(01̅1̅)Al。η相與α-Al相的界面是非相干的，這與Wolverton等人的觀測結(jié)果一致。TEM-EDS分析表明，棒狀η相(P5)不僅含有Mg和Zn，還溶解了部分Al和Cu。α-Al相中分布的寬度為~80nm的多邊形析出相(如圖10a箭頭所示)較少。在多邊形相(P6)中，Zn、Mg和Cu的質(zhì)量百分比分別為53.61%、13.51%和29.91%。根據(jù)圖10d的SAED結(jié)果，表示為Al2Mg3Zn3 (T相)。同時，T相與α-Al相的取向關(guān)系為[111]T // [211]Al，(1̅01̅)T //(01̅1̅)Al。在Al-Zn-Mg-Cu合金中，通常在低Zn/Mg比的條件下出現(xiàn)T析出。在WAAM或LAHAM試樣中，Zn和Mg等元素在晶界處容易偏析。Al基體中元素偏析導(dǎo)致Zn和Mg濃度較低，為T相的形成創(chuàng)造了有利條件。
圖10 WAAM試樣的TEM結(jié)果：（a）BF-TEM圖像，（b）沉淀的EDS圖像，（c）棒狀相的HRTEM和SAED，用（a）中的黃色框表示，（d）多邊形相的HRTEM和SAED，用（a）中的箭頭表示。
3.3. 第二相與合金元素分布
Al-Zn-Mg-Cu合金中含有大量溶質(zhì)元素，因而存在多種第二相，如MgZn2(η相)、Al2Mg3Zn3 (T相)、Al2CuMg (S相)。對Al-Zn-Mg-Cu合金絲以及WAAM和LAHAM試樣進(jìn)行XRD分析，如圖6所示。熔覆試樣中有α-Al、η和S相的衍射峰，而金屬絲中沒有S相的衍射峰。這可能是由于金屬絲中的銅大部分溶解在鋁基體中。在增材制造的快速凝固過程中，更多的銅以S相的形式存在，如XRD圖所示。LAHAM試樣的Al(111)Bragg強(qiáng)度較WAAM試樣低，而Al(200)試樣的Bragg強(qiáng)度較WAAM試樣強(qiáng)。(111)Al/(200)Al的強(qiáng)度比可以作為紋理的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，說明LAHAM試樣的織構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)酢＿@一現(xiàn)象在3.2節(jié)EBSD的結(jié)論中得到了驗(yàn)證。
圖6 Al-Zn-Mg-Cu合金絲、WAAM和LAHAM試樣的XRD光譜。
圖7為WAAM和LAHAM試樣在YOZ平面的詳細(xì)顯微圖。根據(jù)第二相的形狀和顏色，在鋁基體中識別出三個相。分布在晶界處的白色相呈片層狀結(jié)構(gòu)，如圖7b放大圖所示。此外，顆粒內(nèi)部還分布著白色顆粒相。白色相的EDS分析如表4（P2和P3）所示，以確定化學(xué)成分。這些白色相的元素含量相似。主要元素為鋁、鋅、鎂和銅，可推斷為與鋁基體共晶。Mondal等人發(fā)現(xiàn)，鋁合金中較高的Zn/Mg比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)比>2.5）有利于η相的形成。
由于在現(xiàn)有的Al-Zn-Mg-Cu合金絲中，Zn/Mg比值約為5.4（>2.5），結(jié)合XRD光譜，共晶中占主導(dǎo)地位的第二相應(yīng)為η相。然而，一些鋁和銅原子溶解在白色相中形成共晶，這與Chung等人的研究類似。這是因?yàn)殇X和銅原子可以很容易地取代鋅原子形成固溶體，而不會影響晶格結(jié)構(gòu)。如圖7b中的箭頭所示，可見灰色相粘附在白色共晶上。EDS分析結(jié)果(P4)表明，灰色相為Al 40.56 wt%， Zn 4.07 wt%， Mg 15.81 wt%， Cu 39.56 wt%，接近S相的化學(xué)計(jì)量比。圖7c和d分別顯示了WAAM試樣中AZ和HAZ的背散射電子（BSE）圖像。AZ和HAZ中共晶的形態(tài)和分布存在顯著差異。AZ中的大多數(shù)共晶集中在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的晶界，而很少有共晶分布在晶粒內(nèi)部。根據(jù)Al-Zn-Mg-Cu合金的Scheil模型中的凝固路徑，高熔點(diǎn)α-Al相首先形核并生長。Zn、Mg和Cu等溶質(zhì)過飽和，不能完全溶解在α-Al基體中。溶質(zhì)排放到晶界，形成低熔點(diǎn)共晶。由于增材制造的重熔效應(yīng)，熱影響區(qū)的共晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇志ОY(jié)構(gòu)，垂直于熔池邊界分布。對于LAHAM試樣，集中在AZ晶界處的共晶變小(圖7e)。LZ最顯著的特征是顆粒共晶彌散在晶粒內(nèi)部(圖7f)。
圖7 Al-Zn-Mg-Cu合金沉積試樣的SEM顯微組織圖像:(a)第二相的形貌，(b)第二相的放大圖，(c) WAAM試樣中的AZ， (d) WAAM試樣中的HAZ， (e) LAHAM試樣中的AZ， (f) LAHAM試樣中的LZ。
表4 不同第二相的化學(xué)成分(wt%)。
為了進(jìn)一步識別元素在微觀尺度上的分布，EPMA圖像顯示W(wǎng)AAM和LAHAM試樣中Al、Zn、Mg、Cu的分布，如圖8所示。圖8a中的虛線是WAAM試件中HAZ和AZ的邊界。鋅、鎂、銅元素主要以胞狀結(jié)構(gòu)分布在熱影響區(qū)。此外，AZ中的元素主要集中在網(wǎng)絡(luò)的晶界處，而較少分布在晶粒內(nèi)部。如圖8b所示，LAHAM試樣的LZ中元素分布均勻，元素富集減輕。Zn、Mg、Cu在沉積試樣中富集，溶質(zhì)分布系數(shù)均小于1，表明元素偏析。
圖8 Al-Zn-Mg-Cu合金沉積試樣的元素分布:(a) WAAM試樣;(b) LAHAM標(biāo)本。
掃描電鏡觀察到共晶和粗大的第二相。此外，還需要通過TEM、HRTEM和STEM進(jìn)一步研究納米析出相的詳細(xì)特征。圖9a和c為WAAM和LAHAM試樣的BSE圖像。結(jié)果表明，在不同的工藝條件下，析出相在數(shù)量和位置分布上存在顯著差異。從BF-TEM圖像(圖9b)可以看出，WAAM試樣中納米析出相僅存在于晶界粗共晶附近。它們的數(shù)量很小，但長度很大，超過150納米。如圖9c和d所示，LAHAM試樣中析出相的一致性明顯高于WAAM試樣。從整體上看，晶粒內(nèi)部彌散分布著大量粒徑較小的析出相。
圖9 WAAM試樣中析出相特征:(a)高倍BSE圖像，(b) BF-TEM圖像;LAHAM試樣中析出相的特征:(c)高倍BSE圖像，(d) BF-TEM圖像。
析出相是影響Al-Zn-Mg-Cu合金機(jī)械性能的決定性因素。因此，應(yīng)研究不同析出相的特征及其演化。Al-Zn-Mg-Cu合金的析出順序?yàn)?過飽和固溶體(SSS)→GP區(qū)(GP)→亞穩(wěn)態(tài)η′相→穩(wěn)定η相(MgZn2)。在WAAM試樣中，如BF-TEM圖像(圖10a)所示，Al基體中分布著針狀、棒狀和多邊形的析出相。分析圖10c和d中Al區(qū)軸的選區(qū)電子衍射(SAED)圖和HRTEM圖像，進(jìn)一步識別析出相的類型。SAED和HRTEM結(jié)果表明，α-Al相中出現(xiàn)的針狀和棒狀析出相均為η相，長度約為200 nm。它們的方位關(guān)系確定為[1̅21̅6]η // [211]Al，(011̅1̅)η //(01̅1̅)Al。η相與α-Al相的界面是非相干的，這與Wolverton等人的觀測結(jié)果一致。TEM-EDS分析表明，棒狀η相(P5)不僅含有Mg和Zn，還溶解了部分Al和Cu。α-Al相中分布的寬度為~80nm的多邊形析出相(如圖10a箭頭所示)較少。在多邊形相(P6)中，Zn、Mg和Cu的質(zhì)量百分比分別為53.61%、13.51%和29.91%。根據(jù)圖10d的SAED結(jié)果，表示為Al2Mg3Zn3 (T相)。同時，T相與α-Al相的取向關(guān)系為[111]T // [211]Al，(1̅01̅)T //(01̅1̅)Al。在Al-Zn-Mg-Cu合金中，通常在低Zn/Mg比的條件下出現(xiàn)T析出。在WAAM或LAHAM試樣中，Zn和Mg等元素在晶界處容易偏析。Al基體中元素偏析導(dǎo)致Zn和Mg濃度較低，為T相的形成創(chuàng)造了有利條件。
圖10 WAAM試樣的TEM結(jié)果：（a）BF-TEM圖像，（b）沉淀的EDS圖像，（c）棒狀相的HRTEM和SAED，用（a）中的黃色框表示，（d）多邊形相的HRTEM和SAED，用（a）中的箭頭表示。
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