https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103445

　　

　　研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)制備的鈦纖維絲材和鋁合金基體之間的界面厚度約為3-10μm，無(wú)明顯裂紋傾向。與無(wú)纖維增強(qiáng)的鋁合金構(gòu)件相比，加入體積分?jǐn)?shù)為10.5%的鈦纖維后，鈦纖維增強(qiáng)鋁構(gòu)件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了124%和33%。同時(shí)，鈦纖維增強(qiáng)鋁部件沖擊性能得到提高，主要是由于鋁基體沖擊過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展被鈦纖維絲材所阻斷，因此其沖擊功從原來(lái)的7.9J增加到18.0J，增加了128%。這項(xiàng)技術(shù)為制造連續(xù)纖維的高強(qiáng)度金屬基復(fù)合材料提供了新的技術(shù)途經(jīng)，同時(shí)為直接能量沉積增材制造技術(shù)的工程化應(yīng)提供了新的發(fā)展方向。

　　

　　1. 背景介紹

　　

　　由于鋁合金具有重量輕、易于成型和加工的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于航空、船舶和機(jī)械制造等領(lǐng)域。提高鋁合金材料綜合力學(xué)性能是材料開(kāi)發(fā)的主題之一，很多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，例如在鋁合金材料中加入合金微量元素Zr和Er，能顯著增加抗拉強(qiáng)度。然而，稀土元素Sc的高成本每0.1%的Sc含量大約增加3美元/公斤的成本，此外還需要熱處理進(jìn)行性能調(diào)控，該方法尚未廣泛應(yīng)用。通過(guò)在鋁基合金中加入纖維或顆粒形成金屬基復(fù)合材料，也是改善材料力學(xué)性能的重要方法。連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基體可以顯著提高材料沿纖維方向的強(qiáng)度，然而其主要制造方式是通過(guò)擠壓鑄造技術(shù)，僅能制備簡(jiǎn)單形狀的零件。此外，通過(guò)引入強(qiáng)化劑如SiC、TiC、陶瓷顆粒、CNT和碳化物顆粒也是一種有效的方法。然而，研究結(jié)果表明，鋁合金的硬度和強(qiáng)度可以明顯提高，但會(huì)導(dǎo)致其塑性和韌性的降低。因此，有必要找到新的方法來(lái)同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性。

　　

　　增材制造技術(shù)具有高度的靈活性，可以為改善材料性能提供新的技術(shù)途經(jīng)。其中，基于冷金屬過(guò)渡（CMT）技術(shù)由于其高沉積率、低熱量輸入和有限的飛濺而吸引了廣大研究學(xué)者的興趣。然而，該技術(shù)在制造鋁合金構(gòu)件方面存在強(qiáng)度不足、氣孔缺陷等問(wèn)題。目前通過(guò)使用工藝優(yōu)化和輔助工藝（層間變形）等方法，制備的材料機(jī)械強(qiáng)度基本可以滿足板材的標(biāo)準(zhǔn)要求，但很難獲得更優(yōu)越的性能。本工作中，通過(guò)基于CMT電弧熔絲制造了鈦纖維增強(qiáng)鋁合金（TFRA）部件，該部件與未增強(qiáng)的沉積體相比，拉伸和沖擊性能得到了大幅度提升。團(tuán)隊(duì)結(jié)合金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)鋁基體和鈦纖維增強(qiáng)體的微觀結(jié)構(gòu)以及結(jié)合界面進(jìn)行了觀測(cè)，深入研究了TFRA部件的強(qiáng)化和增韌機(jī)制。

　　

　　2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

　　

　　如圖1所示。西安交通大學(xué)方學(xué)偉團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)的CMT焊槍的末端位置安裝了一個(gè)送絲輔助裝置，該裝置跟隨焊槍同步移動(dòng)，能夠?qū)i64焊絲起到導(dǎo)向定位作用，其中鈦纖維絲材跟隨機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，并無(wú)增加額外送絲裝置。成形工藝采用福尼斯鋁合金CMT模式，送絲速度為4.5 m/min，運(yùn)動(dòng)速度為1.8m/min。需要注意的是，過(guò)高的電弧熱輸入量會(huì)導(dǎo)致鈦合金絲材發(fā)生熔化，因此需要嚴(yán)格控制電弧的電流和電壓（75-80A和10-13V）。由于鋁合金熔池的溫度相對(duì)較低，而且先前凝固的鋁合金層的導(dǎo)熱系數(shù)高，熔池凝固快，因此TFRA構(gòu)件中的鈦合金絲材可以避免熔化。將TFRA和參考部件制備了金相、拉伸和沖擊測(cè)試樣品，取樣圖如圖2所示。

　　

　　

　　

　　圖1 (a)纖維增強(qiáng)增材制造工藝原理圖；(b)纖維增強(qiáng)增材制造裝置實(shí)物圖；(c)擺動(dòng)打印路徑示意圖；(d)TFRA構(gòu)件中Al5183和Ti64纖維的X射線測(cè)試結(jié)果

　　

　　

　　

　　圖2 TFRA取樣的示意圖。(a) TFRA沉積體；(b) 沖擊試樣；(c) 金相試樣；(d) 拉伸試樣；(e) 密度測(cè)試試樣

　　

　　3. 組織表征

　　

　　如圖3（a）和（b）所示，由于電弧熱源的不同分布，不同區(qū)域的Ti64絲材的微觀組織發(fā)生了變化。SEM和EDS（見(jiàn)圖4）結(jié)果顯示在鈦絲的上部、右側(cè)和下部，界面寬度約為2-5μm，在這三個(gè)區(qū)域的中間位置都可以看到過(guò)渡變化趨勢(shì)，表明在狹窄的界面層之間存在著原子遷移和擴(kuò)散。

　　

　　

　　

　　圖3 (a)宏觀形貌；(b)纖維增強(qiáng)鈦合金絲材和鋁合金基材的包圍形貌；(c)電弧作用示意圖

　　

　　

　　

　　圖4 絲材上、中、下位置的界面的SEM和EDS圖。(a)、(d)和(g)分別是金屬絲材料和鋁合金基材的上、右、下側(cè)界面，無(wú)裂紋或未熔合等缺陷。圖5(b)、(e)和(h)分別是上、中、下區(qū)域的部分放大圖；圖5(c)、(f)和(i)是各區(qū)域元素組成的線掃描圖

　　

　　鋁合金沉積體的織構(gòu)在加絲和未加絲前后無(wú)明顯變化。由于鈦合金絲材導(dǎo)熱系數(shù)低，鋁合金平均晶粒尺寸在區(qū)域I和區(qū)域II分別為21±6μm和23±6μm，這高于鋁合金基體的平均晶粒尺寸（14±4μm）。Ti64絲材受電弧熱輸入影響后由<10-10>絲織構(gòu)變?yōu)榱?lt;0001>取向。造成這種狀況的主要原因是在CMT制造過(guò)程中，由于電弧熱輸入，鈦合金絲材在相變溫度以上（約1000℃）經(jīng)歷了較短的熱處理過(guò)程，發(fā)生了相變，組織由等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)榱似瑢咏M織。

　　

　　

　　

　　圖5 EBSD分析結(jié)果. a）原始Ti64絲材；（b）Al5183鋁合金沉積體；（c）TFRA沉積體的上部（區(qū)域I+部分區(qū)域II）；（d）TFRA沉積體的下部（區(qū)域II）；（e）TFRA沉積體的上部區(qū)域I的部分界面區(qū)域；（f）TFRA的下部區(qū)域II的部分界面區(qū)域

　　

　　

　　

　　圖6 鋁合金在上部和下部的極圖 . (a) 鋁合金的上部，(b) 鋁合金的下部。

　　

　　

　　

　　圖7 Ti64合金的極圖。(a) 原始絲材；(b) 鈦合金線中的區(qū)域I；(c) 鈦合金線中的區(qū)域II

　　

　　4. 力學(xué)性能

　　

　　4.1  拉伸性能

　　

　　與未增強(qiáng)的鋁構(gòu)件相比，通過(guò)添加10.5%體積分?jǐn)?shù)的鈦纖維絲材，TFRA構(gòu)件的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和比強(qiáng)度分別提高了124%、33%和25%。同時(shí)，伸長(zhǎng)率保持在20%的數(shù)值，這與鋁合金構(gòu)件板的伸長(zhǎng)率相當(dāng)，表明該方法制備的復(fù)合材料具有良好的塑性。通過(guò)復(fù)合材料混合法則和有限元分析的驗(yàn)證，材料性能的提高主要是由于鈦纖維絲材的引入。

　　

　　

　　

　　圖8 （a）Ti64、Al5183沉積體和TFRA的拉伸（應(yīng)力-應(yīng)變）曲線；（b）5系列鋁合金電弧增材制造拉伸性能

　　

　　在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，試樣呈現(xiàn)了雙屈服過(guò)程。在OA階段，當(dāng)應(yīng)變值小于或等于0.15%（圖9），鈦合金和鋁合金都處于雙彈性階段，呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)。而在AB階段，隨著應(yīng)變值的增加，鋁合金逐漸開(kāi)始屈服。這時(shí)，鈦合金仍處于彈性階段。當(dāng)超過(guò)B點(diǎn)時(shí)，鈦纖維絲材和鋁合金均發(fā)生屈服，隨著應(yīng)變的增加，其轉(zhuǎn)變規(guī)律與鋁合金的沉積狀態(tài)相同。

　　

　　

　　

　　圖9 TFRA拉伸測(cè)試中工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

　　

　　4.2  沖擊性能

　　

　　示波沖擊測(cè)試結(jié)果顯示，Al5183沉積體的載荷-距離關(guān)系在沖擊載荷達(dá)到峰值之前是近似線性的，而TFRA構(gòu)件在沖擊載荷達(dá)到峰值之前出現(xiàn)了載荷變化。在沖擊試驗(yàn)載荷-距離曲線中，存在三個(gè)偏移點(diǎn)，即w1、w2和w3。與非增強(qiáng)型構(gòu)件相比，TFRA構(gòu)件的沖擊能量得到了極大的提高（128%）。這是因?yàn)殇X基體的裂紋擴(kuò)展被鈦纖維所阻擋，在沖擊過(guò)程中吸收了大量的沖擊能量。

　　

　　

　　

　　圖10 (a) Al5183 沉積體和 TFRA 的示波沖擊結(jié)果圖；(b) TFRA 在沖擊過(guò)程中絲材作用的示意圖

　　

　　5. 斷口形貌

　　

　　在絲材表面部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)了約為5-10μm的脆性過(guò)渡層?？拷黅i64絲材內(nèi)部位置，斷裂模式迅速?gòu)拇嘈詳嗔炎優(yōu)轫g性斷裂。纖維在受到較大的拉伸應(yīng)力后發(fā)生斷裂，斷裂處出現(xiàn)了明顯的縮頸過(guò)程，并呈現(xiàn)出大量韌窩，表明鈦纖維絲材在拉伸試驗(yàn)中保持了較好的塑性。

　　

　　

　　

　　圖11  (a) TFRA拉伸樣品的斷裂形貌；(b) 鋁合金基體的斷裂形貌；(c) 鈦合金絲的邊緣過(guò)渡區(qū)；(d) 鈦合金絲纖維區(qū)-放射區(qū)的形貌；(e) 鈦合金絲的纖維區(qū)形貌；(f) 鈦合金絲放射區(qū)的形貌

　　

　　圖12為典型示波沖擊測(cè)試試樣的斷口形貌，w1和w2絲在靠近缺口的位置斷裂，而w3位于離沖擊缺口較遠(yuǎn)的位置，w3絲材只是彎曲而未發(fā)生斷裂。沖擊實(shí)驗(yàn)后的樣品沒(méi)有完全分離，這與圖10中顯示的結(jié)果一致。由于鈦纖維絲材的存在，TFRA表現(xiàn)出良好的韌性。纖維在受到較大的拉伸應(yīng)力后發(fā)生斷裂，斷裂處出現(xiàn)了明顯的縮頸過(guò)程，說(shuō)明鈦纖維絲材表現(xiàn)出良好的塑性。絲材斷裂截面上的元素主要是鈦。在鈦絲的側(cè)表面，有大量的Al均勻地附著在上面，表明在界面上有相當(dāng)多的Al擴(kuò)散。然而，從鋁基體的組成來(lái)看，斷口上幾乎沒(méi)有Ti的存在，說(shuō)明過(guò)渡層與鈦絲有更好的結(jié)合。

　　

　　

　　

　　圖12 TFRA樣品的沖擊試驗(yàn)結(jié)果形貌。(a)沖擊樣品的斷口形貌；(b)斷線的斷口形貌；(c)相應(yīng)的成分掃描分布；(d)Ti元素分布；(e)Al元素分布；(f)V元素分布；(g)Mg元素分布

　　

　　總結(jié)

　　

　　在這項(xiàng)工作中，基于CMT電弧增材制造技術(shù)，首次創(chuàng)新的提出了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，并制備出了鈦纖維增強(qiáng)鋁合金（TFRA）構(gòu)件，其強(qiáng)度和沖擊韌性得到了大幅提高。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制電弧熱輸入量和采用擺動(dòng)方式能夠減少熔池溫度從而避免鈦合金絲材的熔化，鈦合金線和鋁合金基體之間的界面厚度約為3-10微米，化學(xué)成分呈梯度過(guò)渡，沒(méi)有明顯的開(kāi)裂傾向。與非增強(qiáng)鋁合金構(gòu)件相比，通過(guò)添加10.5%體積分?jǐn)?shù)的鈦纖維，鈦纖維增強(qiáng)鋁部件的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和比強(qiáng)度分別提高了124%、33%和25%。同時(shí)，伸長(zhǎng)率保持在20%，與鋁合金構(gòu)件板的伸長(zhǎng)率相一致。此外，沖擊功得到了極大的提高（128%）。這是因?yàn)殇X基體的裂紋擴(kuò)展能被鈦絲材有效阻擋，因此在沖擊過(guò)程中吸收了大量的沖擊能量。該技術(shù)目前為首次通過(guò)增材制造的方式實(shí)現(xiàn)了連續(xù)金屬纖維增強(qiáng)雙金屬?gòu)?fù)合材料，能夠?yàn)槲磥?lái)復(fù)合材料的制造提供新的技術(shù)思路。

　　

　　本研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金[52205414, 52275374]的資金支持。研究工作同時(shí)也得到了中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目的資助 [2021QNRC001]，以及火箭軍工程大學(xué)青年基金[2021QN-B014]的資助。同時(shí)研究工作也得到了陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃[2023-YBGY-361]的資助。