振荡参数对QP980/DP780异种钢激光焊接接头形成及力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of oscillation parameters on the formation and mechanical properties of laser welded joints of QP980/DP780 dissimilar steels

激光定向能量沉积（LDED）和铸造工艺对Al-10Ce合金微观组织演变及力学性能的影响研究表明：LDED因高冷却速率和强温度梯度抑制初生Al11Ce3相形成，促进共晶Al11Ce3细化，使LDED样品室温拉伸强度103 MPa、屈服强度79 MPa、延伸率29.1%均优于铸造样品（75/46/24.6 MPa%）。其高温强韧机制包括：细化相促进高密度位错形成；消除初生相及钝化相界降低应力集中；高温下位错回复与层错分解共存提升塑性。

　　

赵鑫|杨家乐|张瑞荣|王宏鑫|王强|张彦超|田玉龙|苏海军|杨文超

西北工业大学凝固加工国家重点实验室，中国西安710072

摘要

本研究探讨了激光定向能量沉积（LDED）和铸造对Al-10Ce合金微观结构演变的影响。结果表明，LDED过程中的高冷却速率和强温度梯度抑制了Al₁₁Ce₃初生相的形成，促进了共晶Al₁₁Ce₃相的细化。在300°C时，LDED处理后的样品仍表现出优异的力学性能，其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为103 MPa、79 MPa和29.1%，优于铸造样品的75 MPa、46 MPa和24.6%。LDED产生的Al-10Ce合金的高温强化-韧性机制主要归因于：(1) Al₁₁Ce₃相的细化有利于变形过程中高密度位错的形成；(2) 初生相的消除和相界面的钝化减少了应力集中；(3) 在高温下，位错回复与堆垛故障的分解同时发生，从而提高了塑性并保持了强度。

引言

由于铝合金具有重量轻、比强度高、成本低和耐腐蚀等优点[1],[2]，它们被广泛应用于汽车工业、航空航天等领域。目前，铝合金面临的主要挑战是在中等温度（200-400°C）下的服役性能问题。用它们替代钛基和镍基合金（如高性能轻质活塞、导弹壳体和涡轮压缩机叶轮）可以实现相关结构组件的轻量化[3],[4],[5]。然而，传统的铸造铝合金在高温服役环境下容易出现析出相粗化和晶粒长大等问题，这显著降低了其力学性能。因此，开发具有高强度、韧性和耐热性的铝合金已成为材料研究的关键方向之一。

近年来，共晶Al-Ce合金成为耐热铝合金研究的热点，这得益于共晶Al₁₁Ce₃相优异的高温稳定性[6],[7]。Ce在Al基体中的极低固溶度和相对较低的扩散系数有效抑制了高温下的相结构粗化[8]。此外，该合金良好的铸造性能使其适用于铸造和增材制造工艺，进一步拓展了其工程应用潜力。然而，传统铸造过程中形成的Al₁₁Ce₃初生相容易产生应力集中，成为断裂的源头[9]。同时，共晶微观结构尺寸较大，其强化效果远低于纳米级强化相，导致铸造Al-Ce合金的力学性能不足，严重限制了其实际应用[10]。许多研究致力于改善Al-Ce合金的微观结构和性能。例如，Shen等人[11]研究了超重力场对Al₁₁Ce₃相的影响，发现超重力凝固能有效细化共晶微观结构并提升合金的高温力学性能；Wang等人[12]利用永磁搅拌将Al-Ce合金的共晶微观结构从层状转变为纤维状，证实了细化后的共晶微观结构对改善力学性能的积极作用。

激光定向能量沉积（LDED）具有快速冷却速率和强温度梯度，能够显著细化晶粒并促进非平衡相的形成，从而有效提升合金的力学性能[13],[14]。与激光粉末床熔融（LPBF）相比，LDED在沉积速率和大型部件制造方面具有明显优势，但由于熔池尺寸较大和热梯度较低，其微观结构均匀性和细度略逊一筹。尽管如此，LDED过程的冷却速率和温度梯度仍显著高于传统铸造工艺，能够抑制粗大初生相的形成，减少元素偏析并提高力学性能，同时保持较高的沉积效率[15]。因此，一些研究人员尝试通过优化增材制造工艺来改善Al-Ce合金的性能。A.Plotkowski等人[16]评估了Al-Ce合金的成形性，发现该合金具有优异的增材制造性能，无裂纹或气孔等缺陷；Hu等人[5]研究了线弧定向能量沉积（WADED）工艺对二元Al-Ce合金微观结构和性能的影响，发现非平衡凝固过程抑制了Al₁₁Ce₃初生相的形成，并有效细化了层状共晶结构，抗拉强度和延伸率分别提高了22.1%和169.8%。然而，现有研究主要集中在验证LDED工艺的基本成形性上，关于Al-Ce合金在快速沉积条件下的微观结构演变机制和高温力学性能等关键问题仍需进一步研究。

本研究采用传统铸造和LDED方法制备了Al-10Ce合金，系统比较了两种方法制备的合金在室温和高温下的微观结构及力学性能，并深入探讨了LDED样品的强化-韧性机制和变形机制，旨在为解决LDED技术在制备大型Al-Ce耐热结构部件时的局限性提供理论基础。

材料与方法

Al-10Ce（重量百分比）合金铸块的制备过程如下：首先将第三方厂家提供的高纯度Al-10Ce母合金在740°C下熔化并保持30分钟，然后冷却至720°C，倒入直径35毫米、高度100毫米的圆柱形模具中进行空气冷却。

Al-10Ce合金粉末采用气体雾化法制备，其粉末形态和粒径分布如图1所示。

工艺优化

图3展示了不同激光功率和扫描速率下LDED Al-10Ce合金的扫描电子显微镜（OM）图像。观察到微观结构中无裂纹，但几乎不可避免地存在气孔缺陷。在高体积能量密度（VED）为208.3 J/mm³（左下角）和625 J/mm³（右上角）的样品中，气孔较为密集。在低VED条件下，部分未熔化的粉末颗粒可能残留在熔池底部，阻碍了...

LDED对共晶微观结构的影响

LDED处理的Al-10Ce合金形成了完整的共晶微观结构，这是由于极端高的冷却速率下的独特非平衡凝固路径所致[24]。显著的界面过冷动态抑制了Al₁₁Ce₃初生相的析出，使合金的实际凝固路径偏离了相图。因此，熔体直接经历了α-Al/Al₁₁Ce₃的共晶生长。Raghavan等人[25]研究了...

结论

本研究通过LDED工艺成功制备了低气孔率的Al-10Ce合金，并将其微观结构和性能与铸造Al-10Ce合金进行了对比。研究了LDED快速凝固过程对Al-10Ce合金在室温和高温下的微观结构及力学性能的影响，并探讨了其强化-韧性机制。主要结论如下：(1)

高冷却速率和强...

作者贡献声明

苏海军：撰写、审稿与编辑、数据可视化、结果验证。田玉龙：数据分析与正式分析。张彦超：数据可视化、正式分析。王强：数据可视化、正式分析。王宏鑫：数据可视化、正式分析。张瑞荣：撰写、审稿与编辑、实验设计、正式分析。杨家乐：数据可视化、正式分析。赵鑫：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、实验设计、数据分析。杨文超：撰写——

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52322410、52571050）和湖南省科技创新计划（项目编号：2024RC7005）的资助。