郝婷婷，李承德，王旭，翟玉春，常云龍

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),沈陽(yáng),110870；2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院,寧波,315103；3.江西理工大學(xué),贛州,341000；4.東北大學(xué),沈陽(yáng),110006)

0 序言

增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，顛覆了人們對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造理念.對(duì)于大型金屬部件來(lái)說(shuō)，電弧增材制造技術(shù)(wire arc addictive manufacturing，WAAM)具有顯著的優(yōu)勢(shì)[1-4].由于2219 鋁合金具有強(qiáng)度高、韌性好、承載性和機(jī)械加工性能優(yōu)異的性能，逐漸成為電弧增材制造工藝的研究熱點(diǎn)[5-7].柏久陽(yáng)[8]利用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(gas tungsten arc welding，GTAW)成形2219 鋁合金，考察了堆積體在熱處理過(guò)程的組織演變，結(jié)果表明，均勻化+固溶+時(shí)效的熱處理制度可以得到優(yōu)異的組織和性能.顧江龍等人[9]以2219 鋁合金焊絲為原材料考察了熔化極氣體保護(hù)焊(gas metal arc welding，GMAW)、脈沖熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW-P)、冷金屬過(guò)渡(cold metal transfer，CMT)、脈沖CMT(CMT-P)、變極性CMT(CMT-A)、脈沖+變極性CMT(CMT-PA) 6 種工藝的WAAM成形合金的性能，結(jié)果表明，CMTPA 工藝具有熱輸入小、成形優(yōu)良、組織細(xì)小、均勻等優(yōu)點(diǎn).從保強(qiáng)等人[10]利用AC-GTAW 工藝制備了WAAM 2319 鋁合金，考察了過(guò)程參數(shù)及環(huán)境氣氛對(duì)成形合金內(nèi)部氣孔的影響，結(jié)果表明，熱輸入對(duì)合金中氣孔數(shù)量和尺寸影響最大，采用氬氣環(huán)境和低送絲速度可顯著減少氣孔缺陷.郝軒[11]利用CMT 工藝制備了WAAM 2319 鋁合金，引入超聲振動(dòng)細(xì)化了WAAM 2319 鋁合金的晶粒，并制定了適用于沉積態(tài)2319 鋁合金的熱處理工藝，WAAM 2319 鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到394，266 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為8.0%.然而，目前報(bào)道WAAM 2319 鋁合金的力學(xué)性能相對(duì)較低[11-15]，如何進(jìn)一步提高WAAM 2319 鋁合金的室溫性能，成為限制其工程應(yīng)用的關(guān)鍵.

在鋁合金中添加稀土元素，能夠起到凈化熔體、細(xì)化晶粒及變質(zhì)的作用[16-17].在Al-Cu 合金中添加稀土釔能夠改善合金的組織、提高合金性能[18-21].但在WAAM 的快熔快冷條件下釔含量對(duì)2319 鋁合金的組織與性能的影響尚未有研究.文中以不同釔含量的WAAM 2319 鋁合金絲材為原材料，利用電弧增材制造工藝技術(shù)制備出WAAM 2319 鋁合金，通過(guò)金相、掃描、透射、拉伸等方法對(duì)WAAM 2319 鋁合金的組織和性能進(jìn)行分析，為電弧增材制造的釔微合金化2319 鋁合金成分設(shè)計(jì)提供理論和數(shù)據(jù)支撐，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值.

1 試驗(yàn)方法

選用撫順東工冶金材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的不同釔含量的直徑為1.2 mm 的2319 鋁合金絲材為原材料，化學(xué)成分如表1 所示，99.999%高純氬氣為保護(hù)氣體.電弧增材制造成形工藝為CMTPA，成形路徑為單層雙道，成形工藝參數(shù)如表2 所示，成形過(guò)程示意圖如圖1 所示.將電弧增材制造成形合金進(jìn)行固溶+時(shí)效處理(T6 熱處理)，熱處理工藝參數(shù)為：固溶溫度540 ℃，時(shí)間10 h；時(shí)效溫度175 ℃，時(shí)間4 h.分別在直接沉積態(tài)、T6 態(tài)WAAM 2319 鋁合金上截取金相試樣，使用Kroll’s試劑(2 mL HF+6 mL HNO3+92 mL H2O)對(duì)金相試樣腐蝕15～ 18 s；在T6 態(tài)WAAM 2319 鋁合金上截取狗骨形拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》在WDW-30 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試.利用Axio Imager A2m 型金相顯微鏡觀察微觀組織；利用Hitachi S-4800 型掃描電子顯微鏡和能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)觀察析出相、斷口形貌及EDS 分析；利用Tecnai G2 型透射電子顯微鏡觀察析出相形貌及分布.

表1 不同釔含量的2319 鋁合金絲材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 2319 aluminum alloy wire with different Y content

表2 WAAM 成形過(guò)程工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of WAAM process

圖1 WAAM 成形過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the WAAM process

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

2.1.1 氣孔缺陷

圖2 為不同釔含量WAAM 2319 鋁合金堆積體的氣孔缺陷分布情況.從圖2 可見(jiàn)，堆積體中缺陷為分散的、尺寸小于30 μm 的類球形氣孔缺陷，這是由于電弧增材制造過(guò)程合金結(jié)晶速率快，熔體中小氣泡來(lái)不及聚集，合金便已凝固，因此氣孔尺寸大多幾十微米.不同釔含量堆積體中氣孔缺陷的數(shù)量、尺寸和分布沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明釔含量對(duì)WAAM 工藝成形的2319 鋁合金堆積體中氣孔缺陷無(wú)顯著影響.

圖2 不同釔含量WAAM 2319 鋁合金氣孔缺陷Fig.2 Porosity defects of WAAM 2319 aluminum alloy with different Y content.(a) Y00 alloy;(b) Y05 alloy;(c) Y10 alloy;(d) Y15 alloy;(e) Y20 alloy;(f) Y25 alloy

2.1.2 直接沉積態(tài)微觀組織

圖3 為WAAM 2319 鋁合金直接沉積態(tài)顯微組織.未添加釔的合金中主要為大尺寸枝晶，其晶粒尺寸主要集中在50～ 60 μm 之間，當(dāng)添加釔后，合金中晶粒尺寸明顯減小，隨著釔含量的增加，合金中晶粒尺寸呈先減小后增大的趨勢(shì)，晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4 所示.當(dāng)釔含量為0.15%時(shí)，合金的晶粒尺寸最小，主要集中在40～ 50 μm.這是由于釔的晶體結(jié)構(gòu)是密排六方結(jié)構(gòu)，而鋁基體的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，導(dǎo)致釔在鋁中的固溶度較低，根據(jù)Al-Y 二元相圖可知，釔在鋁中的最大固溶度僅為0.04%.因此，在電弧增材制造Al-Cu 合金凝固過(guò)程中，僅有少量的釔能夠溶入α-Al 基體中，大部分富集在晶界處，隨著合金的凝固逐漸聚集在固液界面的前沿，在界面處產(chǎn)生成分過(guò)冷，使得合金的枝晶間距減小，晶粒組織被細(xì)化.添加的釔與合金中其它元素形成高熔點(diǎn)的稀土化合物[22]，這些高熔點(diǎn)的化合物可作為異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，成為α-Al 的形核質(zhì)點(diǎn)，從而增加α-Al 枝晶數(shù)量，起到細(xì)化晶粒的作用.但是隨著釔含量的增加，含釔的化合物增多，在晶粒交匯處的偏析程度也隨之增加，固液界面前沿富集的釔含量減少，使得成分過(guò)冷度減小，從而降低了晶粒細(xì)化效果.

圖3 不同釔含量WAAM 2319 鋁合金的直接沉積態(tài)顯微組織Fig.3 Microstructure of as-deposited WAAM 2319 aluminum alloy with different Y content.(a) Y00 alloy;(b) Y05 alloy;(c) Y10 alloy;(d) Y15 alloy;(e) Y20 alloy;(f) Y25 alloy

圖4 不同釔含量WAAM 2319 鋁合金的晶粒尺寸分布情況Fig.4 Grain size distribution of WAAM 2319 aluminum alloy with different Y content

圖5、圖6 和表3 分別為不同釔含量WAAM 2319 鋁合金直接沉積態(tài)SEM 圖及析出相EDS 分析結(jié)果.不同釔含量的WAAM 2319 鋁合金直接沉積態(tài)的析出相在晶內(nèi)無(wú)明顯聚集現(xiàn)象.隨著釔含量的增加，晶界處析出相由斷續(xù)逐漸變?yōu)檫B續(xù)狀態(tài)，晶內(nèi)塊狀析出相及晶界處長(zhǎng)條狀析出相主要為θ 相(Al2Cu)，如圖6a 和圖6b 所示.隨著釔含量的增加，合金中的析出相依然以θ 相為主，但是晶內(nèi)的析出相數(shù)量呈先減少后增加的趨勢(shì).凝固過(guò)程中，在內(nèi)能驅(qū)動(dòng)力的作用下，溶質(zhì)原子通過(guò)固液界面遷移逐漸在晶界析出，此時(shí)整個(gè)體系的自由能最低.2319 鋁合金加入釔后，晶粒顯著細(xì)化，所以溶質(zhì)原子的遷移路徑大大縮短，晶內(nèi)的析出相減少，析出相主要分布在晶界.隨著釔含量的增加，晶粒細(xì)化效果減弱，合金中晶粒尺寸逐漸增大，而導(dǎo)致晶內(nèi)析出相逐漸增加.由于釔在鋁基體中的固溶度小，過(guò)多的釔在晶界上析出形成含釔相，經(jīng)能譜分析，確認(rèn)該含釔相為Al6Cu6Y，如圖6c 所示.

表3 析出相的EDS 分析結(jié)果Table 3 EDS analysis results of precipitated phase

圖5 不同釔含量WAAM 2319 鋁合金直接沉積態(tài)SEM 圖Fig.5 SEM of as-deposited WAAM 2319 aluminum alloy with different Y content.(a) Y00 alloy;(b) Y05 alloy;(c) Y10 alloy;(d) Y15 alloy;(e) Y20 alloy;(f) Y25 alloy

圖6 含釔的WAAM 2319 鋁合金析出相EDS 分析結(jié)果Fig.6 EDS analysis results of precipitated phase of WAAM 2319 aluminum alloy containing Y.(a) intragranular Al2Cu phase;(b) Al2Cu phase at grain boundary;(c) Al6Cu6Y phase at grain boundary

2.1.3 T6 態(tài)微觀組織

圖7 為經(jīng)過(guò)T6 熱處理后WAAM 2319 鋁合金的微觀組織.不同釔含量的WAAM 2319 鋁合金中晶內(nèi)析出相(Al2Cu)尺寸與直接沉積態(tài)相比有所減小.隨著釔含量的增加，晶界處的塊狀或長(zhǎng)條狀析出相逐漸增多，這些相主要是未固溶的θ 相和含釔的化合物，對(duì)鋁基體有割裂作用，兩相之間的距離小，分布密集.根據(jù)Al-Cu 二元相圖可知，銅在鋁合金中最大固溶度為5.65%.在文中試驗(yàn)條件下，銅含量為6.5%～ 6.8%之間，為過(guò)飽和狀態(tài)，因此，固溶階段將有一部分Cu 元素?zé)o法固溶到鋁基體中，依舊以Al2Cu 的形式存在.

圖7 不同釔含量WAAM 2319 鋁合金T6 態(tài)顯微組織Fig.7 Microstructure of WAAM 2319 aluminum alloy with different Y content after T6 heat treatment.(a) Y00 alloy;(b) Y05 alloy;(c) Y10 alloy;(d) Y15 alloy;(e) Y20 alloy;(f) Y25 alloy

圖8 為不同釔含量WAAM 2319 鋁合金時(shí)效狀態(tài)下的析出相形貌.當(dāng)合金中的釔含量為0%時(shí)，合金中的二次析出相主要為長(zhǎng)度約為50～ 60 nm，寬度約為5 nm 的針狀θ′相，如圖8a 所示.釔的加入，使得θ′相的數(shù)量明顯增加，相間距減小且θ′相尺寸均勻，彌散分布.當(dāng)釔的添加量為0.15%時(shí)，晶粒細(xì)化效果最顯著，經(jīng)過(guò)T6 熱處理后，合金中的二次析出θ′相密度最大.這是由于隨著釔含量的進(jìn)一步增加，晶粒細(xì)化效果減弱，導(dǎo)致晶界處初生的θ 相與鋁基體接觸的比表面積減小，固溶過(guò)程中初生的θ 相向鋁基體中擴(kuò)散、遷移平均自由程增加，剩余大量未固溶的θ 相，導(dǎo)致WAAM 2319 鋁合金的固溶銅含量降低和時(shí)效過(guò)程中二次析出的θ′相減少.這與文獻(xiàn)[23]報(bào)道的一致，固溶銅含量降低，導(dǎo)致時(shí)效過(guò)程中形成的Cu 原子團(tuán)簇的數(shù)量減少，形成θ′相的數(shù)量降低，但是θ′相的尺寸沒(méi)有發(fā)生變化.

圖8 不同釔含量WAAM 2319 鋁合金的析出相形貌Fig.8 Precipitated phase morphology of WAAM 2319 aluminum alloy with different Y content.(a) Y00 alloy;(b) Y05 alloy;(c) Y10 alloy;(d) Y15 alloy;(e) Y20 alloy;(f) Y25 alloy

2.2 力學(xué)性能和斷口形貌

2.2.1 力學(xué)性能

圖9 為不同釔含量WAAM 2319 鋁合金T6 熱處理后的力學(xué)性能.未添加釔的合金的力學(xué)性能較低，其抗拉強(qiáng)度410 MPa，屈服強(qiáng)度300 MPa，斷后伸長(zhǎng)率15.0%.添加Y 元素后，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度顯著提高，斷后伸長(zhǎng)率略有下降.隨著釔含量的增加，合金力學(xué)性能呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，斷后伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì).當(dāng)釔含量為0.15%時(shí)，合金的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，即抗拉強(qiáng)度為484 MPa、屈服強(qiáng)度348 MPa、斷后伸長(zhǎng)率10.5%.力學(xué)性能的提升是由3 個(gè)方面原因造成，一是由于釔的加入細(xì)化了堆積體的晶粒，起細(xì)晶強(qiáng)化的作用；二是時(shí)效過(guò)程中由于晶粒細(xì)化提高了θ′相的密度，增強(qiáng)了析出強(qiáng)化的效果；三是釔的添加在合金中形成了含釔的第二相，起到第二相強(qiáng)化作用.隨著釔含量的進(jìn)一步增加，WAAM 2319 鋁合金的力學(xué)性能呈下降趨勢(shì).這是由于初生θ 相固溶量減少，使固溶銅含量降低，時(shí)效過(guò)程二次析出的強(qiáng)化相θ′密度降低造成的；同時(shí)，由于隨著釔含量進(jìn)一步增加，合金的晶粒細(xì)化效果減弱，細(xì)晶強(qiáng)化效果降低.斷后伸長(zhǎng)率的下降是因?yàn)樵谄銽6 態(tài)的微觀組織中存在未固溶的金屬間化合物Al2Cu 以及晶界處析出的含釔相(Al6Cu6Y)，釔含量越大，未固溶Al2Cu 及Al6Cu6Y相的數(shù)量越多，尺寸越大，這些顆粒有助于裂紋的萌生與擴(kuò)展.

圖9 不同釔含量WAAM 2319 鋁合金的力學(xué)性能Fig.9 Mechanical properties of WAAM 2319 aluminum alloy with different Y content

2.2.2 斷口形貌

圖10 為不同釔含量WAAM 2319 鋁合金的斷口形貌.當(dāng)釔含量為0%時(shí)，合金的拉伸斷口中有大量的韌窩，且韌窩的尺寸普遍較大，韌窩的深度小，如圖10a 所示.隨著釔含量的添加，合金的拉伸斷口韌窩尺寸明顯減小，均勻性提高，韌窩深度增大，韌窩的底部存在大量的第二相粒子，為典型的韌性斷裂特征.隨著釔含量的繼續(xù)增加(＞0.15%)，合金的晶粒尺寸增大，時(shí)效后二次析出強(qiáng)化相減少，導(dǎo)致斷口中韌窩尺寸增大、數(shù)量和深度減小，韌窩底部的顆粒數(shù)量逐漸增加，主要為未固溶的Al2Cu相以及晶界處的Al6Cu6Y 相等第二相粒子.

圖10 不同釔含量WAAM 2319 鋁合金的斷口形貌Fig.10 Fracture morphology of WAAM 2319 aluminum alloy with different Y content.(a) Y00 alloy;(b) Y05 alloy;(c)Y10 alloy;(d) Y15 alloy;(e) Y20 alloy;(f) Y25 alloy

3 結(jié)論

(1)鋁合金電弧增材制造過(guò)程快熔快冷，氣泡來(lái)不及聚集便被凝固到合金中，缺陷尺寸主要集中在30 μm 以下；Y 元素的添加，未對(duì)WAAM 2319鋁合金的氣孔缺陷大小、分布產(chǎn)生著影響.

(2)添加Y 元素能夠顯著細(xì)化WAAM 2319 鋁合金的晶粒，隨著釔含量的增加，合金凝固過(guò)程含釔化合物在晶粒交匯處偏析程度增大，合金成分過(guò)冷度減小，晶粒細(xì)化效果呈先增后降趨勢(shì)，當(dāng)釔含量為0.15%，晶粒細(xì)化效果最顯著.

(3)釔的加入對(duì)WAAM 2319 鋁合金起到了細(xì)晶及第二相強(qiáng)化作用，隨著釔含量的增加，晶粒細(xì)化效果先增強(qiáng)后減弱，間接影響了T6 熱處理后合金中二次析出θ′相及未固溶θ 相的數(shù)量，強(qiáng)度呈先增后降；熱處理合金中聚集在晶界處的未固溶θ 相及Al6Cu6Y 相均隨著釔含量的增加逐漸增多，斷后伸長(zhǎng)率逐漸下降；當(dāng)釔含量為0.15%，WAAM 2319鋁合金性能最優(yōu)，即抗拉強(qiáng)度為484 MPa、屈服強(qiáng)度為348 MPa、斷后伸長(zhǎng)率為10.5%.