基于超声辅助定向能量沉积的Al-Cu合金多区域微观组织控制

更新时间：2024-03-20

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铝合金因其高比强度、良好的耐腐蚀性和低密度而在过去几年中引起了相当大的关注，在航空航天、造船、汽车等行业显示出巨大的潜力。2319铝合金是高强度Al-Cu合金之一，在-270°C至300°C范围内具有优异的机械性能。由于其有吸引力的特性，它被广泛用于航空航天领域，例如航天器的机身和外壳。

航空航天工程中Al-Cu合金的大型结构件通常采用铸造和锻造法生产，制造周期长，价格高，材料利用率低。相比之下，DED-Arc 技术在制造大型部件方面具有的优势，例如快速沉积速率、良好的材料利用率和低成本制造。然而，正如 Marques 等人所建议的那样，不均匀微观结构的形成归因于热循环，其中包括DED-Arc 过程中的反复加热和冷却。DED-Arc样品中出现粗晶和细晶的混合微观结构，可以显着降低抗拉强度。凝固开裂主要发生在等轴晶粒和柱状晶粒之间或粗晶粒和细晶粒之间。沉积层不同区域的微观结构和元素分布不均匀，导致共晶相分布不均匀。析出物的不均匀分布使得 ITZ 中容易形成微裂纹，导致塑性差和抗拉强度低。

然基于超声空化和声流效应，对熔池施加超声波可以改变凝固过程并细化晶粒。因此，超声辅助增材制造技术成为提高微观组织均匀性和力学性能的首要研究重点。未经超声处理的DED-Arc样品主要由柱状枝晶组成，特别是在竣工墙沉积物的底部。然而，一些柱状枝晶断裂，超声振动后等轴晶粒尺寸进一步减小。声流效应促进了熔池的流动，有利于有效晶核在熔池中的分散。这些分散的晶核促进了熔池凝固过程中的晶粒细化和质构的减少。此外，在超声空化作用下，长链状析出物被细化和破碎，晶相数量增加，缓解了Ni偏析，抑制了Inconel 718和Ti6Al4V合金金属间化合物的团聚。同时，在引入超声波后，共晶相被分解成颗粒并均匀分布在基质中。优异的抗拉强度、延展性和冲击韧性的结果被实现为通过声空化效应形成的更精细的微观结构。此外，超声波振动有效地削弱了沉积层的织构并均匀化了晶粒结构，从而增强了材料的显微硬度和屈服强度。

该工作在超声振动下定量控制了沉积层不同区域的晶粒形貌和晶体取向。通过实验表征研究了DED-Arc和U-DED-Arc样品的亚晶结构演变和沉淀物分布.通过DED-Arc过程中温度场和流场的仿真结果，详细讨论了微观结构的形成机理。系统阐明了沉积层不同区域超声振动后的原位强化机理。建立了DED-Arc和U-DED-Arc样品的微观结构和力学性能之间的关系

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