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通過選擇性激光熔化來生產(chǎn)高強(qiáng)度的Al85Nd8Ni5Co2
1。摘要：大量高強(qiáng)度和耐熱的Al85Nd8Ni5Co2樣本已經(jīng)通過選擇性的激光熔化生產(chǎn)出來了。合金顯示出一種似合成的微光結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)包含亞顯微大小的穩(wěn)定微光結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)分散在基體金屬間化合物階段，從而使得其在高溫（303-573K）保持了高的抗壓強(qiáng)度（1-0。5Gpa）這些結(jié)果表明，SLM對(duì)于傳統(tǒng)制造方式，即用高強(qiáng)度的鋁合金生產(chǎn)高密度，耐高溫，和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)合金是一種有效的替代方式。
關(guān)鍵詞：添加劑制造；鋁合金；金屬間化合物；壓縮試驗(yàn)。
2。介紹：鋁合金是結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用所使用的最廣泛的材料，因?yàn)樗鼈兙哂懈邚?qiáng)度，高耐腐蝕性，以及很好的加工性能。非晶/玻璃（MG），納米晶體（NC）或超細(xì)粒度的結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度。MGs可以通過非平衡處理技術(shù)，像熔融紡絲，機(jī)械合金化，氣體霧化或銅型鑄造來得到。然而，以Al為基體的MGs很難形成玻璃結(jié)構(gòu)，因此它們的大小是有限的，通常小于1毫米。數(shù)控/UFG合金表現(xiàn)出熱不穩(wěn)定性，這是由與晶界高密度有關(guān)的多余的焓造成的，從而限制了它們的高溫應(yīng)用頻譜。因此，為了利用MG/NC/UFG結(jié)構(gòu)合金的優(yōu)點(diǎn)，就急需開發(fā)耐熱的鋁合金，這種合金要沒有大小限制。
選擇性激光熔化（SLM）是一種添加劑制造技術(shù)，這種技術(shù)能夠生產(chǎn)MG/NC/UFG材料。它可以制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的幾何形狀，能達(dá)到高精度，高的設(shè)計(jì)自由度，這一過程有著優(yōu)秀的過程能力和高的材料利用。雖然利用SLM生產(chǎn)基于Al-Si和Al-Si-Mg的合金系統(tǒng)時(shí)會(huì)有生產(chǎn)報(bào)告，但系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)行廣闊和系統(tǒng)的探究。Al-Zn（7XXX）在商業(yè)和傳統(tǒng)的鋁合金系統(tǒng)中展現(xiàn)了很高的強(qiáng)度。然而，通過SLM，不會(huì)生成7XXX合金的制作報(bào)告，而這可能是因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)原因：（1）在制造過程中，它們非常脆弱，可能產(chǎn)生開裂的樣品（2）通過SLM過程時(shí)Zn的蒸發(fā)（低沸點(diǎn)）使得它不能使用SLM。因此，急需探索許多非傳統(tǒng)的鋁合金制造方式（MG/NC/UFG），這可能在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出高強(qiáng)度而且可以用SLM成功的制造出來。最近，李等人已經(jīng)報(bào)道了通過SLM生產(chǎn)無定型的Al86Ni6Y4.5Co2La1.5。他們以不同的激光強(qiáng)度對(duì)一個(gè)預(yù)制的多孔的Al86Ni6Y4.5Co2La1.5的金屬玻璃外表面進(jìn)行單行單行的掃描，這導(dǎo)致了漸變微結(jié)構(gòu)的形成，伴隨在一些地方的結(jié)晶非晶相。他們還表明，顯微組織可以通過改變激光參數(shù)來加以控制。然而，一些裂縫和微裂紋由于高熱梯度觀測(cè)過程中導(dǎo)致高水平的熱應(yīng)力而被觀察到。本研究后，李等人調(diào)查了重復(fù)掃描在SLM中預(yù)防宏觀裂紋的過程。他們聲稱，由一個(gè)低功率重復(fù)掃描跟隨的高功率初始掃描可以用來避免以鋁為基體的MG/NC合金產(chǎn)生裂紋。然而，即使采用這樣一種再熔化的技術(shù)，完全非晶態(tài)和無缺陷的鋁合金樣本不可能通過SLM產(chǎn)生。然而，這些作品照亮了由SLM制造以鋁為基體的NC/UFG材料的前景。而且沒有關(guān)于制造和與機(jī)械性能有關(guān)的顯微結(jié)構(gòu)的詳細(xì)的報(bào)道。目前的工作通過專注于通過SLM過程生產(chǎn)耐熱，高強(qiáng)度的數(shù)控鋁基合金來進(jìn)行分析。緊隨其后的是一個(gè)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)查，以及機(jī)械性能評(píng)估，斷口分析和組織性能的相關(guān)性。
3.材料和方法：
Al85Nd8Ni5Co2(%)圓柱標(biāo)本（直徑3mm，高度8mm）是通過SLM從球形氣體霧化粉末（GAP）生產(chǎn)出來的，這是使用配備有一個(gè)激光最大功率400W和位置大小80納米的Yb-YAG的SLM250HL設(shè)備（SLM方案GmbH，Luebeck，德國(guó)生產(chǎn)）氣體霧化粉末是球面平均直徑48 ±5納米的粒子。這些粉末表現(xiàn)出良好的流動(dòng)性，而這正是作為SLM過程原始材料的重要的先決條件。用于標(biāo)本制作的參數(shù)是：功率320W的體積和輪廓，層厚度50納米，它們之間的條紋間距為110納米，層間孵化方式旋轉(zhuǎn)73度。使用了兩種不同掃描速度：1455mm/s的體積和1939mm/s的輪廓。在整個(gè)SLM避免在SLM形成裂縫的過程中，鋁基板被加熱到673K。結(jié)構(gòu)分析是由X射線衍射（XRD），該射線使用D3290 PANalytical X’pert PRO（PANalytical GmbH是一家現(xiàn)代化、Kassel-Waldau、德國(guó)）Cok輻射在Bragg-Brentano解析中。里特維德方法是使用WinPlotR軟件包從XRD模式中估計(jì)微晶的大小。合并樣品的密度是通過阿基米德原理進(jìn)行評(píng)估的。通過使用一個(gè)配備有一個(gè)能量色散x射線能譜（EDX）設(shè)施的，分散于背后電器（BSE）的雙子座1530顯微鏡（哥廷根，德國(guó)）掃描電子顯微鏡（SEM）來進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。英斯特朗8562進(jìn)行壓縮測(cè)試使用一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)(Instron GmbH，達(dá)姆施塔特，德國(guó))準(zhǔn)靜態(tài)加載（應(yīng)變速率~1×10-4s-1）在303-573K溫度范圍內(nèi)。試樣的應(yīng)變測(cè)量直接使用菲德勒激光伸長(zhǎng)計(jì)。樣本總測(cè)試壓縮在構(gòu)建的方向，這意味著樣品的頂部制造后也具有良好的壓縮性能。為了確保材料在高溫測(cè)試下的顯微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，標(biāo)本在氬氣環(huán)境下以723K溫度加熱4小時(shí)。使用一個(gè)“AsmecUNAT”納米訂貨（ASMECGmbg，Radeberg，德國(guó)），它有一個(gè)Berkovich的形狀，來決定各個(gè)階段的硬度。一共150個(gè)缺口使用一個(gè)典型的二次裝卸過程進(jìn)行表面的高度拋光。為了有次微米大小的缺口，單相2mN被選中為最大負(fù)載。
4.結(jié)果和討論：
圖一顯示了SEM和EDX映射的Al85Nd8Ni5Co2準(zhǔn)備（AP）SLM樣品沿橫截面的映射圖像。低放大圖像（圖一a）顯示了在SLM標(biāo)本中觀察的典型軌道。軌道之間的距離是100納米，此時(shí)的軌道重疊是10納米。而且沒有明顯的孔隙度和缺陷，這也證實(shí)了密度測(cè)量研究，平均相對(duì)密度99。75%是可以觀察到的地方。這是指用于制作這些樣品的出口距離是110納米，因此軌道應(yīng)該表現(xiàn)出110納米。然而，從圖1（a）可以觀察到，軌道的寬度只有100納米，這表明有一個(gè)10納米的艙口重疊。這樣的策略使用艙口重疊降低了孔隙度水平以及任何可能不連續(xù)在樣本之間的艙門，在導(dǎo)致聲音樣本與附近完整的密度。必須指出的是，在圖1（a）和（b）之間有一個(gè)作為測(cè)量結(jié)果序列的旋轉(zhuǎn)15度左右的轉(zhuǎn)變圖。微觀結(jié)構(gòu)與階段表現(xiàn)出雙峰分布不一致。這是跟蹤重疊的結(jié)果-核心形態(tài)典型的SLM樣本，沿著軌道重疊組成的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)（標(biāo)記為圖1（b））和粗糙的微觀結(jié)構(gòu)沿著軌道核心（圖1中標(biāo)記為（2））明亮的血小板不同相差分布在一個(gè)黑暗的矩陣（圖1（c）），使其成為復(fù)合態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)。元素映射EDX圖像（圖1（d-h）），顯示黑暗的地區(qū)富含鋁而明亮的血小板富含Nd，Ni和Co。明亮的血小板有不同的四個(gè)不同階段的對(duì)比，這表明存在Al85Nd8Ni5Co2美聯(lián)社SLM樣本。四個(gè)不同階段的存在在美聯(lián)社SLM示例由XRD證實(shí)。（圖2）的衍射模式顯示微晶尺寸直徑為72納米的鋁合金（（立方Fm3m）的存在。隨著三個(gè)金屬間化合物階段:AlNdNi4(斜方晶系的，Cmc2)，Al4CoNi2（立方，la3d）和AlNd3（六角，P63mmc）。AlNdNi4血小板（d=29納米）2。12±0。34納米長(zhǎng)，0。41±0。13納米寬，而Al4CoNi2（d=42納米）和AlNd3血小板（d=35納米）2。32±0。48納米和6。01±0。74納米的長(zhǎng)度和1。00±0。08和0。89±0。14納米寬。XRD模式表明，在GAP，AP SLM 和HT SLM樣本中不同的樣品階段的差距是相同的（圖2）。有趣的是，美聯(lián)社SLM的x射線衍射模式和HT SLM非常相似。階段的微晶尺寸在HT SLM對(duì)于鋁是84納米，對(duì)于AlNdNi4是50納米而對(duì)于AlNd3是38納米，這表明SLM樣品在熱處理過程中沒有明顯的相變熱穩(wěn)定和糧食增長(zhǎng)。美聯(lián)社SLM標(biāo)本測(cè)試在室溫下（RT）顯示了一個(gè)非常高的屈服強(qiáng)度（YS）0。94Gpa和極限抗壓強(qiáng)度（UCS）1。08Gpa以及2。45%的塑性應(yīng)變（圖3（a和b））。HT樣本顯示了類似的屬性（YS=0。81Gpa和UCS=0。97Gpa），這暗示了微觀結(jié)構(gòu)SLM材料高溫?zé)岱€(wěn)定性。如此高強(qiáng)度的水平存在于高溫下。例如UCSGpa1。05和圖2XRD模式(λ= 0。17889海里）的氣體霧化粉末的準(zhǔn)備和熱處理SLM樣本。0。97 GPa，應(yīng)變8。5%和4。5是觀察到的樣本測(cè)試在373 K和423 K，分別(圖3(a和b))。隨著測(cè)試溫度的進(jìn)一步提高，在測(cè)試停止時(shí)變型超過20%。甚至測(cè)試溫度573K，高UCSGpa0。50觀察到，這表明目前的材料可以使用高強(qiáng)度應(yīng)用在高操作溫度。雖然，強(qiáng)烈的科學(xué)研究都集中在高強(qiáng)度非晶態(tài)和納米材料的鋁合金的發(fā)展，只有少數(shù)報(bào)告處理的高溫度這些材料的力學(xué)性能。罪，特雷納米水晶，鋁鐵材料顯示最好的高溫度特性鋁合金上發(fā)布的作品之一的合金。這些結(jié)果與目前Al-Nd-Ni-Co SLM合金的機(jī)械性能圖3(c)進(jìn)行比較。它可以觀察到，現(xiàn)在的合金在所有測(cè)試溫度也有類似強(qiáng)度水平的Al-Fe合金。Al-Fe合金是由火花等離子燒結(jié)，在組件的大小和形狀限制，而加工的SLM許可證生產(chǎn)的部分在理論上任何可能的幾何與最小化需要后期處理。因此，加法制造提供了定制這些高強(qiáng)度的形狀和相應(yīng)的屬性鋁合金部分滿足特定需求的可能性，因此這個(gè)獨(dú)特技術(shù)相比傳統(tǒng)的處理更加獨(dú)特。斷裂表面圖像，如圖4所示，進(jìn)一步證明了觀察到的高強(qiáng)度鋁85 8倪5 Co 2合金。斷裂發(fā)生在了一個(gè)加強(qiáng)形態(tài)(圖4(a))，類似于由SLM生成的Al-12Si合金。這可以歸因于雙峰微觀結(jié)構(gòu)(圖3(b))沿著軌道重疊的細(xì)顆粒，這可能作為裂紋擴(kuò)展的更好路徑，這導(dǎo)致觀察到的高強(qiáng)度形態(tài)。在目前的合金中的優(yōu)越性能可以歸因于復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。SLM的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)特征的過程，導(dǎo)致了細(xì)Al階段，該階段包圍金屬間化合物階段。由于微觀結(jié)構(gòu)是一個(gè)快速凝固過程，預(yù)計(jì)將有一個(gè)固有的強(qiáng)大結(jié)合矩陣和金屬間化合物之間的增援部隊(duì)，協(xié)助改進(jìn)和有效載荷轉(zhuǎn)移沿著界面。這個(gè)概念導(dǎo)致了界面強(qiáng)化機(jī)制在當(dāng)前高溫合金RT中。金屬間化合物階段硬度評(píng)估為納米縮進(jìn)測(cè)量AlNd 3為2。84±0。08 GPa， Al 4 CoNi 2為3。74±0。10 GPa和AlNdNi 4為5。45±0。09 GPa。這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純鋁狀態(tài)(0。33±0。03 GPa)。因此，在RT變形，裂縫預(yù)計(jì)沿鋁過程階段發(fā)展并且傳播與進(jìn)一步的加載。然而，金屬間化合物血小板充當(dāng)障礙導(dǎo)致逮捕或裂紋偏轉(zhuǎn)，觀察到圖4(b和c)，以防止裂的進(jìn)一步變形通過啟動(dòng)新的裂縫導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展(圖4(b))。另一方面，裂紋偏轉(zhuǎn)表明有效平均裂縫程增加導(dǎo)致明顯的變形的材料。
一般來說，在高溫下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加快和佩爾斯應(yīng)力的大小大幅減少導(dǎo)致了低強(qiáng)度材料的產(chǎn)生。然而，在目前的合金中，鋁矩陣包圍金屬間化合物的強(qiáng)化，這可能限制沿晶界位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的約束理論，從而導(dǎo)致進(jìn)一步在高溫下強(qiáng)度材料。所有的機(jī)制:界面強(qiáng)化、止裂和開始新的裂縫，裂紋偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象和監(jiān)禁現(xiàn)象(圖。4(d))操作同時(shí)導(dǎo)致優(yōu)越的室溫和高溫抗壓強(qiáng)度。
5總結(jié)：
高密度高強(qiáng)度的Al 85 Nd 8 Ni 5 Co 2合金已經(jīng)成功通過SLM生產(chǎn)出來了。合金展示了復(fù)合微結(jié)構(gòu)與金屬間化合物階段AlNdNi 4 ，Al 4 CoNi 2 and AlNd 3在鋁基中的分布情況。金屬間化合物階段的形式是血小板和次微米狀態(tài)的寬度范圍。美聯(lián)社SLM和HT SLM樣本顯示UCS的1。08Gpa和1。08Gpa，伴隨著RT2。5%的應(yīng)變。高溫壓縮試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)能夠保持高強(qiáng)度是由于復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和約束現(xiàn)象，晶粒粗化和加速流動(dòng)的混亂在高溫下金屬間化合物弱化階段。此外，界面強(qiáng)化，止裂和裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制也有助于在Al85Nd8Ni5Co2合金的更高強(qiáng)度。目前的結(jié)果表明，SLM是最好的選項(xiàng)來生產(chǎn)高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定、致密和近凈形鋁合金
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