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通過選擇性激光熔化來生產高強度的Al85Nd8Ni5Co2
1。摘要：大量高強度和耐熱的Al85Nd8Ni5Co2樣本已經通過選擇性的激光熔化生產出來了。合金顯示出一種似合成的微光結構，這種結構包含亞顯微大小的穩(wěn)定微光結構，這種結構分散在基體金屬間化合物階段，從而使得其在高溫（303-573K）保持了高的抗壓強度（1-0。5Gpa）這些結果表明，SLM對于傳統制造方式，即用高強度的鋁合金生產高密度，耐高溫，和網狀結構合金是一種有效的替代方式。
關鍵詞：添加劑制造；鋁合金；金屬間化合物；壓縮試驗。
2。介紹：鋁合金是結構和功能應用所使用的最廣泛的材料，因為它們具有高強度，高耐腐蝕性，以及很好的加工性能。非晶/玻璃（MG），納米晶體（NC）或超細粒度的結構可以增強鋁合金的強度。MGs可以通過非平衡處理技術，像熔融紡絲，機械合金化，氣體霧化或銅型鑄造來得到。然而，以Al為基體的MGs很難形成玻璃結構，因此它們的大小是有限的，通常小于1毫米。數控/UFG合金表現出熱不穩(wěn)定性，這是由與晶界高密度有關的多余的焓造成的，從而限制了它們的高溫應用頻譜。因此，為了利用MG/NC/UFG結構合金的優(yōu)點，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，這種技術能夠生產MG/NC/UFG材料。它可以制造復雜的結構和復雜的幾何形狀，能達到高精度，高的設計自由度，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生產基于Al-Si和Al-Si-Mg的合金系統時會有生產報告，但系統不會進行廣闊和系統的探究。Al-Zn（7XXX）在商業(yè)和傳統的鋁合金系統中展現了很高的強度。然而，通過SLM，不會生成7XXX合金的制作報告，而這可能是因為以下兩個原因：（1）在制造過程中，它們非常脆弱，可能產生開裂的樣品（2）通過SLM過程時Zn的蒸發(fā)（低沸點）使得它不能使用SLM。因此，急需探索許多非傳統的鋁合金制造方式（MG/NC/UFG），這可能在高溫環(huán)境下表現出高強度而且可以用SLM成功的制造出來。最近，李等人已經報道了通過SLM生產無定型的Al86Ni6Y4.5Co2La1.5。他們以不同的激光強度對一個預制的多孔的Al86Ni6Y4.5Co2La1.5的金屬玻璃外表面進行單行單行的掃描，這導致了漸變微結構的形成，伴隨在一些地方的結晶非晶相。他們還表明，顯微組織可以通過改變激光參數來加以控制。然而，一些裂縫和微裂紋由于高熱梯度觀測過程中導致高水平的熱應力而被觀察到。本研究后，李等人調查了重復掃描在SLM中預防宏觀裂紋的過程。他們聲稱，由一個低功率重復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合金產生裂紋。然而，即使采用這樣一種再熔化的技術，完全非晶態(tài)和無缺陷的鋁合金樣本不可能通過SLM產生。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。而且沒有關于制造和與機械性能有關的顯微結構的詳細的報道。目前的工作通過專注于通過SLM過程生產耐熱，高強度的數控鋁基合金來進行分析。緊隨其后的是一個詳細的結構和微觀結構的調查，以及機械性能評估，斷口分析和組織性能的相關性。
3.材料和方法：
Al85Nd8Ni5Co2(%)圓柱標本（直徑3mm，高度8mm）是通過SLM從球形氣體霧化粉末（GAP）生產出來的，這是使用配備有一個激光最大功率400W和位置大小80納米的Yb-YAG的SLM250HL設備（SLM方案GmbH，Luebeck，德國生產）氣體霧化粉末是球面平均直徑48 ±5納米的粒子。這些粉末表現出良好的流動性，而這正是作為SLM過程原始材料的重要的先決條件。用于標本制作的參數是：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SLM避免在SLM形成裂縫的過程中，鋁基板被加熱到673K。結構分析是由X射線衍射（XRD），該射線使用D3290 PANalytical X’pert PRO（PANalytical GmbH是一家現代化、Kassel-Waldau、德國）Cok輻射在Bragg-Brentano解析中。里特維德方法是使用WinPlotR軟件包從XRD模式中估計微晶的大小。合并樣品的密度是通過阿基米德原理進行評估的。通過使用一個配備有一個能量色散x射線能譜（EDX）設施的，分散于背后電器（BSE）的雙子座1530顯微鏡（哥廷根，德國）掃描電子顯微鏡（SEM）來進行微觀結構的檢測。英斯特朗8562進行壓縮測試使用一個測試系統(Instron GmbH，達姆施塔特，德國)準靜態(tài)加載（應變速率~1×10-4s-1）在303-573K溫度范圍內。試樣的應變測量直接使用菲德勒激光伸長計。樣本總測試壓縮在構建的方向，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試下的顯微結構穩(wěn)定，標本在氬氣環(huán)境下以723K溫度加熱4小時。使用一個“AsmecUNAT”納米訂貨（ASMECGmbg，Radeberg，德國），它有一個Berkovich的形狀，來決定各個階段的硬度。一共150個缺口使用一個典型的二次裝卸過程進行表面的高度拋光。為了有次微米大小的缺口，單相2mN被選中為最大負載。
4.結果和討論：
圖一顯示了SEM和EDX映射的Al85Nd8Ni5Co2準備（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標本中觀察的典型軌道。軌道之間的距離是100納米，此時的軌道重疊是10納米。而且沒有明顯的孔隙度和缺陷，這也證實了密度測量研究，平均相對密度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，因此軌道應該表現出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）之間有一個作為測量結果序列的旋轉15度左右的轉變圖。微觀結構與階段表現出雙峰分布不一致。這是跟蹤重疊的結果-核心形態(tài)典型的SLM樣本，沿著軌道重疊組成的細微觀結構（標記為圖1（b））和粗糙的微觀結構沿著軌道核心（圖1中標記為（2））明亮的血小板不同相差分布在一個黑暗的矩陣（圖1（c）），使其成為復合態(tài)的微觀結構。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不同階段的對比，這表明存在Al85Nd8Ni5Co2美聯社SLM樣本。四個不同階段的存在在美聯社SLM示例由XRD證實。（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，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對于鋁是84納米，對于AlNdNi4是50納米而對于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。美聯社SLM標本測試在室溫下（RT）顯示了一個非常高的屈服強度（YS）0。94Gpa和極限抗壓強度（UCS）1。08Gpa以及2。45%的塑性應變（圖3（a和b））。HT樣本顯示了類似的屬性（YS=0。81Gpa和UCS=0。97Gpa），這暗示了微觀結構SLM材料高溫熱穩(wěn)定性。如此高強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備和熱處理SLM樣本。0。97 GPa，應變8。5%和4。5是觀察到的樣本測試在373 K和423 K，分別(圖3(a和b))。隨著測試溫度的進一步提高，在測試停止時變型超過20%。甚至測試溫度573K，高UCSGpa0。50觀察到，這表明目前的材料可以使用高強度應用在高操作溫度。雖然，強烈的科學研究都集中在高強度非晶態(tài)和納米材料的鋁合金的發(fā)展，只有少數報告處理的高溫度這些材料的力學性能。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。這些結果與目前Al-Nd-Ni-Co SLM合金的機械性能圖3(c)進行比較。它可以觀察到，現在的合金在所有測試溫度也有類似強度水平的Al-Fe合金。Al-Fe合金是由火花等離子燒結，在組件的大小和形狀限制，而加工的SLM許可證生產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度的形狀和相應的屬性鋁合金部分滿足特定需求的可能性，因此這個獨特技術相比傳統的處理更加獨特。斷裂表面圖像，如圖4所示，進一步證明了觀察到的高強度鋁85 8倪5 Co 2合金。斷裂發(fā)生在了一個加強形態(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構(圖3(b))沿著軌道重疊的細顆粒，這可能作為裂紋擴展的更好路徑，這導致觀察到的高強度形態(tài)。在目前的合金中的優(yōu)越性能可以歸因于復合材料的微觀結構。SLM的細微觀結構特征的過程，導致了細Al階段，該階段包圍金屬間化合物階段。由于微觀結構是一個快速凝固過程，預計將有一個固有的強大結合矩陣和金屬間化合物之間的增援部隊，協助改進和有效載荷轉移沿著界面。這個概念導致了界面強化機制在當前高溫合金RT中。金屬間化合物階段硬度評估為納米縮進測量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。這是遠遠高于純鋁狀態(tài)(0。33±0。03 GPa)。因此，在RT變形，裂縫預計沿鋁過程階段發(fā)展并且傳播與進一步的加載。然而，金屬間化合物血小板充當障礙導致逮捕或裂紋偏轉，觀察到圖4(b和c)，以防止裂的進一步變形通過啟動新的裂縫導致裂紋擴展(圖4(b))。另一方面，裂紋偏轉表明有效平均裂縫程增加導致明顯的變形的材料。
一般來說，在高溫下位錯運動加快和佩爾斯應力的大小大幅減少導致了低強度材料的產生。然而，在目前的合金中，鋁矩陣包圍金屬間化合物的強化，這可能限制沿晶界位錯運動的約束理論，從而導致進一步在高溫下強度材料。所有的機制:界面強化、止裂和開始新的裂縫，裂紋偏轉現象和監(jiān)禁現象(圖。4(d))操作同時導致優(yōu)越的室溫和高溫抗壓強度。
5總結：
高密度高強度的Al 85 Nd 8 Ni 5 Co 2合金已經成功通過SLM生產出來了。合金展示了復合微結構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。美聯社SLM和HT SLM樣本顯示UCS的1。08Gpa和1。08Gpa，伴隨著RT2。5%的應變。高溫壓縮試驗表明，本系統能夠保持高強度是由于復合材料微觀結構和約束現象，晶粒粗化和加速流動的混亂在高溫下金屬間化合物弱化階段。此外，界面強化，止裂和裂紋偏轉機制也有助于在Al85Nd8Ni5Co2合金的更高強度。目前的結果表明，SLM是最好的選項來生產高強度、熱穩(wěn)定、致密和近凈形鋁合金
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