您现在的位置首页 >> 科研进展
科研进展
科研进展
【MSEA】电弧增材制造Al-Mg合金裂纹扩展机制原位研究:涉及微观缺陷和显微组织的多种策略
发表时间:2025-01-20 阅读次数:37次
  • 引文格式:

GB/T 7714      

Wen W Y, Qi H, Liao Z, et al. In-situ study of crack propagation mechanisms in wire arc additive manufactured Al-Mg alloys: Multiple strategies involving microdefects and microstructures[J]. Materials Science and Engineering: A, 2025, 924: 147802.

MLA      

Wen, Wei Ying, et al. "In-situ study of crack propagation mechanisms in wire arc additive manufactured Al-Mg alloys: Multiple strategies involving microdefects and microstructures." Materials Science and Engineering: A 924 (2025): 147802.

APA      

Wen, W. Y., Qi, H., Liao, Z., Jiang, L. X., Huang, M., Yang, B., …& Zhou, S. W. (2025). “In-situ study of crack propagation mechanisms in wire arc additive manufactured Al-Mg alloys: Multiple strategies involving microdefects and microstructures.” Materials Science and Engineering: A, 924, 147802.

背景简介

电弧增材制造(WAAM)具有快速生产大型零件、生产成本低和材料利用效率高等许多独特优点,已成功用于制造Al-Mg、Al-Cu和Al-Zn-Mg-Cu等系列铝合金零件,广泛应用于船舶、军事、汽车和航空工业等领域。然而,铝合金电弧增材制造过程中存在一些不可避免的微观缺陷和显微组织,其对铝件的裂纹扩展有显著影响,导致通过WAAM研发高强度和大延展性的Al-Mg合金仍具有挑战性。通常,通过调整WAAM工艺参数或沉积策略能够带来满意的效果。但在某些情况下,这些调整可能不足,完全消除缺陷和优化显微组织往往需要大量反复试验,而设备和系统的差异导致结果出现显着变化。对此,需要对裂纹扩展机制的影响因素提供了更为准确的理解。微观缺陷与显微组织的多尺度相互作用决定了裂纹的萌生与扩展。微观缺陷如孔隙和残余应力,引发局部应力集中,成为裂纹萌生的起点。显微组织特征,包括晶粒大小和晶体学取向,控制局部应力分布与能量耗散,影响材料在外载荷下的响应。这些缺陷与显微组织的相互作用决定裂纹传播路径,可能导致其偏转、分叉或停止。因此,需综合考虑显微组织与微观缺陷的协同作用,以更准确揭示裂纹扩展机制。

本研究系统分析了WAAM和原位轧制电弧增材制造(HRAM)制备Al-4.5Mg合金中的微观缺陷与显微组织,通过原位EBSD方法,揭示了微孔、残余应力、晶体学取向和晶粒尺寸在裂纹扩展中的作用,并揭示了微观缺陷与显微组织在裂纹扩展中的多尺度相互作用机理,讨论了不同微观缺陷和显微组织处裂纹扩展的难易程度。本研究对通过WAAM研发高强度和大延展性的Al-Mg合金具有重要意义。

成果介绍

(1)图1为WAAM和HRAM大球形孔隙(35 μm)区域的显微组织,以及基于EBSD 原始数据的统计图。图1a 所示WAAM大球形孔隙处,当GND密度约为1.5×1014m-2、应变量达到0.1时,裂纹开始扩展,且呈现两个方向:一是裂纹扩展至晶界后沿晶界继续扩展,二是扩展至晶界后进入相邻晶粒。为探究这两种裂纹扩展路径差异的原因,图1d和e分别提取了裂纹扩展方向上Area 1与Area 2的GND和SF数据。其中,Area 2的GND密度小于Area 1,且在应变量达到0.1后增长速率逐渐降低,这是由于Area 2的SF随着应变量的增加,从0.49(软取向)逐渐减小至0.46(硬取向),而Area 1的SF基本保持0.49(软取向)不变。因此,Area 1更易发生应力集中,为裂纹扩展提供位点,而Area 2则相反。图1b 所示HRAM大球形孔隙处,裂纹在应变量达到0.25时开始扩展,且从晶界处开始扩展。相比WAAM,HRAM的裂纹源萌生及扩展均表现出显著滞后。对裂纹扩展路径中Area 3的GND分析显示,HRAM的GND密度更小,且在应变量达到0.2后增长速率才显著增加(图1d)。由SF的变化可知,Area 3的SF在应变量0.2之前均小于Area 1和Area 2(图1e)。随着应变的增加,WAAM和HRAM缺陷区域的晶粒极点沿<111>轴转动,从而导致SF发生变化(图1c)。

图1 (a) WAAM中大球形孔隙缺陷处的裂纹扩展, (b) HRAM中大球形孔隙缺陷处的裂纹扩展, (c)为(a)和(b)中点1和点2的(111)极图变化, (d)为(a)和(b)中Area 1、Area 2和Area 3的GND变化, (e)为(a)和(b)中Area 1、Area 2和Area 3的SF变化

 

(2)图2为WAAM和HRAM小球形孔隙(12 μm)区域的显微组织,以及基于EBSD 原始数据的统计图。图2a‒c所示WAAM和HRAM小球形孔隙处,当GND密度约为1×1014m-2,裂纹源分别在应变量达到0.02和0.1后开始扩展,其裂纹扩展行为均先至晶界,随后沿晶界继续扩展。与大球形孔隙相比,小球形孔隙的裂纹扩展应变阈值更低,更易于发生裂纹扩展现象。在图2d和e中,小孔隙裂纹扩展方向上的GND密度和SF与大孔隙处保持一致,即Area 4的GND密度大于Area 5和Area 6,且随着应变量增加,其GND密度增长速率更快。其中,Area 4的SF在应变量增加过程中保持不变为0.48,而Area 5和Area 6的SF低于0.45。为探究小球形孔隙比大球形孔隙更易发生裂纹扩展,分别比较WAAM和HRAM大小孔隙周围的GND密度随应变的增长速率。图2f所示Area 4相比Area 1和Area 2在应变量0.1之前GND密度的增长速率更大。在小球形孔隙周围特定区域,位错累积与增加速率更快,这可能是导致小球形孔隙更易发生裂纹扩展的重要因素之一。

 

图2 (a)WAAM中小球形孔隙缺陷处的裂纹扩展, (b)和(c)为 HRAM中小球形孔隙缺陷处的裂纹扩展, (d)为(a)、(b)和(c)中Area 4、Area 5和Area 6的GND变化, (e)为(a)、(b)和(c)中Area 4、Area 5和Area 6的SF变化, (f)为大球形孔隙和小球形孔隙裂纹扩展处的GND增长速率

 

(3)图3为WAAM和HRAM中残余热应力区域的裂纹扩展,以及裂纹扩展方向上的GND密度和SF统计。图3a‒b所示晶粒内部残余热应力处的初始GND密度约为孔隙缺陷处的2倍(图3c)。随着应变量的增加,残余热应力周围的GND密度逐渐增加,当GND密度约为2×1014m-2时,裂纹发生扩展,此时WAAM和HRAM应变量分别为0.1和0.15(图3c)。此外,随着应变量的增加,裂纹扩展方向上的SF也逐渐增加(图3d)。残余热应力区域的GND密度随应变量的增加而增加,主要是由于残余热应力导致的GND堆积阻碍了位错运动。与孔隙缺陷处相比,残余热应力处的裂纹扩展需要更高的GND密度,这是由于孔隙缺陷能够为裂纹扩展提供形核位点。此外,残余热应力引起位错胞的产生,位错胞对位错运动产生阻碍作用,进而促使得位错胞周围位错发生增殖,这解释了残余热应力周围的GND密度增加的现象(图3e‒g)。

 

图3 (a)WAAM中残余热应力处的裂纹扩展, (b) HRAM中残余热应力处的裂纹扩展, (c)裂纹扩展处的GND变化, (d)裂纹扩展处的SF变化, (e)和(f) WAAM和HRAM残余热应力处的明场像(TEM), (g)位错增殖模型

 

(4)图4为WAAM和HRAM中不同晶粒取向内部的裂纹扩展(CR3、CR4、CR11和CR13)以及裂纹扩展方向上GND密度和SF统计。图4a,b和e所示WAAM中硬取向晶粒(SF为0.46)和软取向晶粒(SF为0.5)内部裂纹源的产生和裂纹扩展分别发生在0.15和0.1应变量,并且随着应变量的增加硬取向晶粒内部裂纹扩展到晶粒外部,而软取向晶粒内部裂纹无法扩展到晶粒外部,从而在软取向晶粒内部裂纹逐渐生长(图4g)。图4c,d和e所示HRAM中硬取向晶粒(SF为0.43)和软取向晶粒(SF为0.47)内部裂纹源的产生和裂纹扩展分别发生在0.25和0.3应变量。不同取向晶粒内部裂纹扩展时的GND密度与残余热应力基本一致约为2×1014m-2(图4f)。

 

图4 (a)和(b)为WAAM中不同取向晶粒内部的裂纹扩展, (c)和(d)为 HRAM中不同取向晶粒内部的裂纹扩展, (e)为裂纹扩展处的SF变化, (f)为裂纹扩展处的GND变化, (g)不同晶粒取向的裂纹扩展模型

 

(5)图5a‒d展示了WAAM和HRAM的GND和SF,在应变过程中WAAM相比HRAM,总体的GND密度增速更快,而SF减小更快(图5g)。通过对WAAM和HRAM中具有相同硬取向的晶粒1(异常长大晶粒)和晶粒2(小晶粒),以及晶粒周围Area G1和Area G2,进行一步分析,发现Area G1的GND密度增长速率远高于晶粒1,WAAM总体的GND密度主要由Area G1提供,特别是在中等应变阶段(应变量为0.1)之后,而Area 2的GND密度增长速度与晶粒2基本保持不变。此外,在应变过程中,当裂纹扩展至晶粒1的晶界处,晶粒边缘Area 的晶格会迅速发生转动,使得SF值迅速降低(图5e和i),从而抑制GND密度的迅速增加,避免裂纹萌生,阻碍了裂纹向异常长大的硬取向晶粒内部扩展,导致裂纹沿晶界扩展(图5f)。异常长大晶粒相比小晶粒很难在应变过程中与周围晶粒发生协调变形(图5h),中心Area 在应变过程中基本保持不变(图5i)。这表明WAAM中异常长大的硬取向晶粒导致显微组织位错密度分布不均匀,容易产生局部应力集,导致裂纹在局部Area 优先萌生,并且促使裂纹沿晶界扩展,进而影响整体力学性能。

 

图5 (a)WAAM的SF和GND, (b)HRAM的SF和GND, (c) WAAM不同区域的GND, (d) HRAM不同区域的GND, (e) WAAM中异常长大硬取向晶粒的SF, (f)异常长大硬取向晶粒对裂纹扩展的影响, (g) WAAM和HRAM的SF, (h)晶粒1和晶粒2的SF, (i)中心G1和边缘G1的SF

 

(6)图6为WAAM相比HRAM具有更多的孔隙和残余应力缺陷,同时WAAM的显微组织更粗大,且分布不均匀。在外应力的作用下,WAAM试样显微组织分布不均匀,导致局部区域的应力集中和GND密度的快速增长,从而导致局部区域内过早的萌生裂纹,同时,裂纹扩展过程中,异常长大硬取向晶粒的存在导致裂纹扩展路径缩短,促进了材料局部区域过早失效。而HRAM试样孔隙和残余应力缺陷较少,显微组织细小且均匀分布,因此在外应力作用下应力分布和GND密度增长速度均匀,裂纹萌生阶段较晚,同时,细小的硬取向晶粒可以阻碍裂纹穿晶扩展,增加了裂纹的扩展路径。因此,HRAM相比WAAM具有高强度和大延展性。

 

图6 显微组织和微观缺陷在裂纹扩展中的相互作用

 

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金(No. 52305160)和中国博士后基金面上项目(2024M752206)资助。本文第一作者:温威莹(四川大学机械工程学院),本文通讯作者:廖贞(四川大学机械工程学院)。

本期小编 廖 贞(整理)

董乃健(发布)