孫獎(jiǎng)，楊濱，東青，劉清賢

1北京科技大學(xué)，北京，100083；2西雅圖先進(jìn)技術(shù)研究院（ATII）

序言

增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)是采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法[1-5]。AM具有直接制造、快速制造、縮短周期、節(jié)約材料等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、國(guó)防、醫(yī)療、建筑設(shè)計(jì)、電子電器、汽車(chē)制造、船舶制造等領(lǐng)域裝備的研制、生產(chǎn)和使用維護(hù)等方面，都有巨大應(yīng)用價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景[6-9]。

AFAM是在攪拌摩擦增材制造（FSAM）基礎(chǔ)上將“純核細(xì)晶”與鍛壓、熱處理工藝、自動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)精髓相融合，形成了主要面向現(xiàn)有材料牌號(hào)、裝備技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)和下一代無(wú)序合金增材制造的新方法。AFAM利用熱熔性材料摩擦生熱軟化的特性，使合金處在半固態(tài)狀態(tài)下完成增材過(guò)程，其示意圖如圖1所示。AFAM 7050鋁合金以攪拌摩擦熱為熱源，避免了鋁合金在激光熱源下鋁合金表面氧化、粉體流動(dòng)性差、液鋁對(duì)激光的高反射率以及在電子束下表面球化嚴(yán)重、殘余應(yīng)力和變形大等問(wèn)題；頂鍛壓力的存在對(duì)于細(xì)化晶粒、致密組織也具有重要的作用；由于過(guò)程中不存在熔化，可避免熔化后帶來(lái)夾雜、偏析等缺陷；頂增與側(cè)增的組合使用，可以大幅度提高增材效率[10-11]。本文研究了不同時(shí)效工藝對(duì)AFAM 7050鋁合金的組織與硬度的影響，對(duì)于AFAM 7050鋁合金的應(yīng)用具有重要意義。

圖1 AFAM示意圖

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所采用的7050鋁合金主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 7050鋁合金成分（wt.%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用專(zhuān)用增材攪拌頭，旋轉(zhuǎn)速度為600r/min，手動(dòng)控制增材速度進(jìn)行增材，每層增材厚度可達(dá)0.5～3.5mm。

將試樣加熱到475℃保溫45min后立即進(jìn)行水淬處理，隨后進(jìn)行不同的時(shí)效處理。①一級(jí)時(shí)效：120℃保溫24h，②雙級(jí)時(shí)效：在120℃的電阻爐中保溫4h進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理，隨后在160℃對(duì)試樣進(jìn)行0.5h、3h、8h、24h的終時(shí)效處理。

對(duì)固溶淬火后不同時(shí)效處理的試樣進(jìn)行微觀組織分析和維氏硬度測(cè)試。試樣所用腐蝕劑為Keller試劑，其成分為：1mLHF+1.5mL HCl +2.5 mLHNO3+95mLH2O。采用維氏硬度計(jì)對(duì)試樣不同厚度方向進(jìn)行硬度測(cè)試，加載載荷為50g，加載時(shí)間為10s，橫向間距為0.9mm，厚度方向間距為2mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)效工藝對(duì)組織的影響

圖2為AFAM 7050鋁合金原始態(tài)和時(shí)效處理后的組織，可以看出，AFAM 7050鋁合金組織分布并不均勻，呈Ⅰ與Ⅱ兩種形貌交替分布，其中Ⅰ區(qū)表示再結(jié)晶區(qū)，Ⅱ區(qū)表示再結(jié)晶區(qū)之間的連接區(qū)。從原始態(tài)圖2（a）中可以得到再結(jié)晶晶粒呈橢球形，晶粒尺寸大約為3μm～8μm。從圖2（b-f）可以看出經(jīng)時(shí)效處理后晶粒發(fā)生了一定程度的長(zhǎng)大，晶界也出現(xiàn)了平直化現(xiàn)象，析出了第二相。AFAM 7050鋁合金晶粒由于受到攪拌頭的攪拌作用以及摩擦熱的作用產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致亞晶粒之間的應(yīng)變不相容，亞晶粒不斷吸收位錯(cuò)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，發(fā)生再結(jié)晶的晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大就在攪拌針的機(jī)械作用下發(fā)生了破碎，從而形成等軸、細(xì)小的晶粒。

圖3是AFAM 7050鋁合金的SEM圖和EDS圖。從圖3（a）可以看出原始態(tài)具有很多孔洞，孔洞里分布少量粗大第二相，從圖3（b）可以看出單級(jí)時(shí)效24h后沿晶界出析出了一些第二相，孔洞類(lèi)缺陷有所改善，但是結(jié)合類(lèi)缺陷依然存在。從圖3（c）可以看出雙級(jí)時(shí)效120℃/4h+160℃/3h后，晶內(nèi)析出了細(xì)小第二相，沿晶界析出了粗大的第二相，從圖3（d）可以得出這些粗大的第二相是富銅的Al2CuMg（S相）和AlCuMgZn（T相）。

圖2 AFAM 7050鋁合金顯微組織

圖3 AFAM 7050鋁合金SEM與EDS

圖4 AFAM 7050鋁合金硬度

2.2 時(shí)效工藝對(duì)硬度的影響

圖4（a）為AFAM 7050鋁合金橫向硬度，隨著距增材中心距離的增大，硬度呈現(xiàn)先逐漸減小再逐步增大，然后減小再增大的過(guò)程。圖4（b）為AFAM 7050鋁合金厚度方向硬度，硬度呈現(xiàn)先逐步增大再減小的過(guò)程，上表面硬度最低，主要是由于后道次增材對(duì)前道次增材具有一定的后熱作用。7050是可熱處理強(qiáng)化鋁合金，AFAM 7050鋁合金硬度主要與顯微組織和析出相的變化有關(guān)，析出相的形態(tài)、分布對(duì)其強(qiáng)度、硬度影響很大，它們的存在對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用。時(shí)效后，AFAM 7050鋁合金能夠析出了更多均勻分布的細(xì)小第二相，對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，可以顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度。不同時(shí)效后硬度先增加后減小，可以得到最佳的時(shí)效工藝為：120℃/4h預(yù)處理+160℃/3h終時(shí)效。

3 結(jié)論

（1）AFAM 7050鋁合金由等軸、細(xì)小晶粒的再結(jié)晶區(qū)與其連接區(qū)兩種形貌交替分布組成，再結(jié)晶晶粒平均尺寸大約為3-8μm，時(shí)效處理后，晶粒發(fā)生了一定程度的長(zhǎng)大，晶界出現(xiàn)了平直化現(xiàn)象。

（2）單級(jí)時(shí)效和雙級(jí)時(shí)效會(huì)沿晶界析出粗大富銅的Al2CuMg（S相）和Al2CuMgZn（T相）第二相，并在晶內(nèi)析出一些細(xì)小的第二相。時(shí)效對(duì)孔洞類(lèi)缺陷具有改善作用，但結(jié)合類(lèi)缺陷依然存在。

（3）AFAM 7050鋁合金厚度方向硬度存在梯度，上表層硬度最小。時(shí)效后硬度先增加后減小，最佳時(shí)效工藝為120℃/4h預(yù)處理+160℃/3h終時(shí)效。

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