《Materials Science and Engineering: A》：Effect of Zr/Si inoculation on hot cracking and mechanical properties of DED-fabricated Al7075
编辑推荐：
通过Zr/Si孕育处理优化Al7075合金直接能量沉积（DED）加工工艺，有效抑制热裂纹并提升力学性能。研究采用Scheil模拟确定最佳孕育成分，通过热等静压（HIP）和T6热处理改善致密性与综合性能，微观分析显示孕育处理促进柱状晶向等轴晶转变，显著降低裂纹敏感性。
作者：Man Jae SaGong, Matae Lee, Hyojin Park, Bon Woo Koo, Jae Heung Lee, Jeong Ah Lee, Sung-Jae JO, Byeong-Joo Lee, Hyoung Seop Kim
韩国浦项科技大学（POSTECH）材料科学与工程系，浦项 37673
摘要
通过直接能量沉积（DED）技术制备的高强度Al7075合金由于柱状晶粒结构而容易发生热裂纹，这给抗裂沉积带来了重大挑战。本研究通过改进Al7075的成分，探索了添加Zr/Si元素来解决这一问题。在添加Zr和Si后，进行了DED沉积，随后进行了热等静压处理和热处理。微观结构分析表明，Zr/Si的添加改变了凝固行为，促进了从柱状晶粒向等轴晶粒的转变，从而降低了热裂纹的敏感性。后续的热等静压（HIP）和T6热处理进一步提高了材料的致密度和拉伸性能。本文分析了等轴晶粒形成与热裂纹敏感性降低之间的机制，并评估了机械性能。这些发现表明，结合Zr/Si添加和后续处理的DED工艺是制造抗裂、高性能Al7075零件的有效方法。
引言
增材制造（AM）通过实现复杂几何形状的高效制造，为材料加工领域带来了重大创新，这些形状使用传统的减材加工方法难以实现。特别是直接能量沉积（DED）技术利用高能激光束实时熔化并沉积粉末或线材形式的原料，从而构建三维金属零件。该技术因其能够加工多种金属合金以及适用于几何形状修复而受到广泛关注[1],[2],[3]。
与此同时，由于铝合金具有低密度、优异的强度重量比和出色的耐腐蚀性[4],[5],[6]，它们在航空航天、汽车和国防领域得到广泛应用。然而，现有的关于铝合金增材制造的研究主要集中在AlSi10Mg和Al12Si等铸造合金上，而7XXX系列（Al–Zn–Mg）合金在高强度结构应用中的研究相对较少[7],[8],[9],[10]。其中，Al7075是一种典型的沉淀硬化高强度铝合金，虽然具有出色的机械性能，但其焊接性能较差且容易发生热裂纹，这严重限制了其在增材制造中的应用[11],[12],[13]。特别是在基于激光的增材制造过程中，快速的凝固速度、高热梯度以及铝材料宽的凝固温度范围和大的凝固收缩率常常导致热裂纹的形成[7],[14]。为了解决这些问题，人们提出了多种方法来细化晶粒微观结构并抑制裂纹形成。Su等人引入了超声波振动方法来增加晶核形成位点，从而获得无裂纹的Al7075沉积层[15]。但早期研究指出，由于微观结构较粗，这些方法的机械性能较差。因此，添加Sc[16]、Ti[17]和Zr[18]等纳米颗粒增强剂被认为有助于在凝固过程中形成等轴晶粒。另一方面，Si[19],[20]也被证明可以减轻Al7075的热裂纹，并提高其流动性，从而改善机械性能。
在本研究中，我们探讨了Zr/Si添加的效果，发现Zr和Si的不同作用协同促进了等轴晶粒的形成，提高了熔体的流动性，从而抑制了热裂纹并最终提升了DED制备的Al7075合金的拉伸性能。通过Scheil模拟确定了最佳的Zr/Si成分比例。基于这一优化，利用DED工艺制备出了热裂纹敏感性显著降低的Al7075沉积层。此外，还应用了热等静压（HIP）处理来减少孔隙率并提高致密度，从而改善了合金的机械性能。本研究旨在为扩展Al7075的增材制造可行性奠定基础，并展示其在未来应用中的潜力。
粉末制备与DED工艺
本研究使用了气雾化Al7075粉末（韩国MK INC公司生产）进行DED沉积。通过扫描电子显微镜（SEM）观察了粉末的形态（见图1），并通过电感耦合等离子体（ICP）光谱分析了粉末的化学成分。Scheil模拟用于确定具有促进异质晶核形成潜力的元素，并根据这些元素优化了合金成分
成型样品的宏观观察
为了实现无裂纹沉积，我们在基础Al7075粉末中战略性地添加了Zr和Si（#1）。Zr通过异质晶核作用在抑制热裂纹方面发挥了关键作用，在添加1 wt% Zr时成功实现了稳定的沉积和等轴晶粒的形成[21]。先前关于Si含量对热裂纹影响的研究表明，4-5%的Si含量是实现粉末床熔融过程中无裂纹基体的最佳比例[22],[23]。然而，由于加工过程的局限性...
结论
样品#1（Al7075）的柱状结构在凝固过程中由于晶界处富集的Mg、Zn和Cu导致的晶间收缩而产生热裂纹。这促进了脆性金属间化合物的形成，并在高热梯度下引起界面断裂。
作者贡献声明
Hyoung Seop Kim：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。
Hyojin Park：数据采集与整理。
Bon Woo Koo：数据可视化、数据分析。
Man Jae SaGong：撰写初稿、数据可视化、方法验证、数据分析、概念构思。
Matae Lee：数据可视化、数据分析。
Sung-Jae JO：数据验证、项目管理。
Byeong-Joo Lee：数据验证、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
数据获取
支持本研究结果的数据可向通讯作者索取。
作者声明
? 作者是该期刊的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的审稿或发表决定。
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府MSIP提供，项目编号：NRF-2022R1A5A1030054）。Jeong Ah Lee获得了教育部资助的“培养下一代研究人员”基础科学研究计划的支持。作者还感谢浦项加速器实验室（韩国浦项市）提供的同步辐射源。
