基于超聲輔助定向能量沉積的Al-Cu合金多區(qū)域微觀組織控制

更新時間：2024-03-20

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鋁合金因其高比強度、良好的耐腐蝕性和低密度而在過去幾年中引起了相當大的關注，在航空航天、造船、汽車等行業(yè)顯示出巨大的潛力。2319鋁合金是高強度Al-Cu合金之一，在-270°C至300°C范圍內具有優(yōu)異的機械性能。由于其有吸引力的特性，它被廣泛用于航空航天領域，例如航天器的機身和外殼。

航空航天工程中Al-Cu合金的大型結構件通常采用鑄造和鍛造法生產，制造周期長，價格高，材料利用率低。相比之下，DED-Arc 技術在制造大型部件方面具有的優(yōu)勢，例如快速沉積速率、良好的材料利用率和低成本制造。然而，正如 Marques 等人所建議的那樣，不均勻微觀結構的形成歸因于熱循環(huán)，其中包括DED-Arc 過程中的反復加熱和冷卻。DED-Arc樣品中出現(xiàn)粗晶和細晶的混合微觀結構，可以顯著降低抗拉強度。凝固開裂主要發(fā)生在等軸晶粒和柱狀晶粒之間或粗晶粒和細晶粒之間。沉積層不同區(qū)域的微觀結構和元素分布不均勻，導致共晶相分布不均勻。析出物的不均勻分布使得 ITZ 中容易形成微裂紋，導致塑性差和抗拉強度低。

然基于超聲空化和聲流效應，對熔池施加超聲波可以改變凝固過程并細化晶粒。因此，超聲輔助增材制造技術成為提高微觀組織均勻性和力學性能的首要研究重點。未經(jīng)超聲處理的DED-Arc樣品主要由柱狀枝晶組成，特別是在竣工墻沉積物的底部。然而，一些柱狀枝晶斷裂，超聲振動后等軸晶粒尺寸進一步減小。聲流效應促進了熔池的流動，有利于有效晶核在熔池中的分散。這些分散的晶核促進了熔池凝固過程中的晶粒細化和質構的減少。此外，在超聲空化作用下，長鏈狀析出物被細化和破碎，晶相數(shù)量增加，緩解了Ni偏析，抑制了Inconel 718和Ti6Al4V合金金屬間化合物的團聚。同時，在引入超聲波后，共晶相被分解成顆粒并均勻分布在基質中。優(yōu)異的抗拉強度、延展性和沖擊韌性的結果被實現(xiàn)為通過聲空化效應形成的更精細的微觀結構。此外，超聲波振動有效地削弱了沉積層的織構并均勻化了晶粒結構，從而增強了材料的顯微硬度和屈服強度。

該工作在超聲振動下定量控制了沉積層不同區(qū)域的晶粒形貌和晶體取向。通過實驗表征研究了DED-Arc和U-DED-Arc樣品的亞晶結構演變和沉淀物分布.通過DED-Arc過程中溫度場和流場的仿真結果，詳細討論了微觀結構的形成機理。系統(tǒng)闡明了沉積層不同區(qū)域超聲振動后的原位強化機理。建立了DED-Arc和U-DED-Arc樣品的微觀結構和力學性能之間的關系