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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      瀏覽次數(shù):1151
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(guān)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(nèi)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(lǐng)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(jié)構(gòu)件通常采用鑄造和鍛造法生產(chǎn),制造周期長,價格高,材料利用率低。相比之下,DED-Arc 技術(shù)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(jié)構(gòu)的形成歸因于熱循環(huán),其中包括DED-Arc 過程中的反復(fù)加熱和冷卻。DED-Arc樣品中出現(xiàn)粗晶和細晶的混合微觀結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)和元素分布不均勻,導(dǎo)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(dǎo)致塑性差和抗拉強度低。
然基于超聲空化和聲流效應(yīng),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(shù)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(yīng)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(zhì)構(gòu)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(zhì)中。優(yōu)異的抗拉強度、延展性和沖擊韌性的結(jié)果被實現(xiàn)為通過聲空化效應(yīng)形成的更精細的微觀結(jié)構(gòu)。此外,超聲波振動有效地削弱了沉積層的織構(gòu)并均勻化了晶粒結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(jié)果,詳細討論了微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和力學性能之間的關(guān)系



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