冷金属低功率3D打印耐蚀铝合金的冶金和力学特性

【研究背景】

【研究方法】

该方法的示意图如图1所示。使用TransPlus Synergic 5000冷金属转移焊接机（Fronius Intelligent Equipment Co.Ltd.威尔斯，Austria）和六轴机器人和机器人控制柜（YASKAWA Electric Corporation;日本福冈北九州）。通过CMT构建尺寸为250 mm × 300mm × 110 mm的样品。 

通过控制焊机的焊接电流来确定所需的熔敷参数。进行了探索性实验，以确定基于铝合金的形成的WAAM的最佳工艺参数。包括3.5m/min的进料速率、110 cm/min的扫描速度、99.99%的氩气保护气体在20 L/min的流速下以及层之间的15 s间隔。在沉积工艺期间，沉积温度控制在120 °C。沉积后，通过使用线切割器从沉积板的上部、中部和下部区域切割样品。然后对样品进行研磨和抛光，然后用0.5%HF溶液蚀刻15秒以揭示微观结构。

【研究内容（1）——微观组织分析及物相分析】

图3示出了沉积态5183合金板在平行于构建方向的方向上的XRD图谱。根据图谱，确定的物相主要为α-Al。对应于64.5°≤ 2 ≤ 65.5°的衍射光谱的细节证实了这些沉积态样品中存在Al3Mg2相。而且，由于部分Mg元素在Al基体中固溶，Al的晶格常数增大，衍射峰左移。

   图3沉积的5183合金板的不同区域的XRD图谱

图4呈现上部（图4a-c）和下部（图4 d-f）区域中次级相的明场TEM图像和SAED图案。基于TEM分析结果，发现颗粒相的组成主要是具有正交结构的Al6Mn，其对应于Cmcm空间群。Al6(Mn、Fe)或Al6(Mn、Fe、Si)的四方和五边形形貌中的Fe和Si原子取代部分Mn原子形成沉淀。 

图4第二相的TEM明场像和选区电子衍射( SAED )花样：( a ~ c )上部区域第二相和第二相边界界面的明场像和对应的SAED花样；( d-f )在较低区域。

【研究内容（2）——宏观缺陷及气孔】

由图5可知，层积板上部孔隙的平均面积（MA）最高，达到1005.5 ± 17.2 µm2。中部孔隙的MA为599.8 ± 20.1 µm2，下部最低：25.7 ± 1.5 µm2。这三个不同区域中的孔隙平均周长（MP）值也遵循类似的趋势：上部、中部和下部区域分别为104.8 ± 12.4、72.4 ± 15.6和16.3 ± 5.8 µm。

图5关于沉积板的不同区域中的缺陷特性的统计：孔的面积（MA）、平均周长（MP）、平均长度（ML）和平均宽度（MW）; (b)孔隙率。

【研究内容（3）——元素分布】

图6示出了使用EPMA获得的元素分布曲线。图5a、c表明Mg和Mn元素均匀地分布在上部区域中的Al基质中。从顶部到底部区域，Mg以枝晶结构的形式分布清楚。此外，如图6d、i所示，Al和Mn元素保持均匀分布。 

图6电子探针微量分析（EPMA）元素分布图。上部区域元素分布图：（a）Al，（b）Mg，和（c）Mn。中部区域元素分布图：（d）Al，（e）Mg，和（f）Mn。下区元素分布图：（g）Al，（h）Mg，和（i）Mn。

【研究内容（4）——晶粒取向】

图7为沉积板不同区域的EBSD晶粒取向图及相应的极图和反极图。如取向成像图（图8a、图8c、图8e）所示，来自不同沉积区域的晶粒的形态是不同的。底部沉积的晶粒呈典型的狭长形状，这是因为向上生长的速率远高于水平方向的速率。此外，靠近基底层的能量分布和温度梯度不均匀，会引起局部重熔，导致不同的晶粒形貌。随着沉积层的高度增加，晶粒直径增加。如中间区域的晶粒形态所示，水平生长增加。在上部区域，温度梯度一致性较强，晶粒呈等轴晶状态。

图7 EBSD取向图和极图分别对应不同区域：上、中、下区域。在( a )上部、( c )中部和( e )下部区域重建晶界的取向图。( b )上部、( d )中部和( f )下部区域的反极图( IPF )和( 100 )极图。

【研究内容（5）——力学性能】

沉积态AA5183合金板材试样的平均弹性模量( E )为42.4 ± 8.9 GPa，平均屈服强度( YS )为138.9 ± 9.7 MPa，平均极限抗拉强度( UTS )为318.3 ± 8.1 MPa，平均EL为26.6 ± 5.2 %。从不同位置取样的样品的拉伸性能存在显著差异，尤其是E和EL。这一发现表明沉积的Al-Mg-Mn是异质的。 

图8沉积态Al-Mg-Mn板的拉伸性能：上部区域应力-应变曲线：（a）水平试样和（B）垂直试样;下部区域的应力-应变曲线：（c）水平试样和（d）垂直试样。上部区域的真实的拉伸曲线为：（e）水平试样和（f）垂直试样

总结

综上所述，本研究旨在解决在焊接过程中，材料由于受到持续的高热量输入而导致的飞溅和焊穿等现象。我们在此研究中，采用低功率冷金属过渡技术成功地制备了AA 5183合金板材。研究了成形缺陷、显微组织特征和力学性能。结果表明，缺陷数量沿着沉积板的成型方向逐渐增多。采用X射线衍射、电子探针显微分析、电子背散射衍射和透射电子显微镜等分析手段，研究了铝合金板中合金元素的分布、沉积层的显微组织特征和金属间化合物的晶体结构。研究表明，垂直于构建方向的拉伸样品平均UTS为327 ± 0.65 MPa，平均EL为30.6 ± 2.0%。常规锻造5083-H32（Al-Mg 4.5）合金的抗拉强度为324 MPa;挤压态5083-H116（Al-Mg 4.5）合金的抗拉强度为305 MPa。此外，我们制备的板的强度达到5083铝合金的工业应用所需的值。