经L-PBF（激光粉末烧结）工艺制备的Al 7075合金（添加1.8%质量分数的Zr）在低温下的拉伸性能

《Materials Science and Engineering: A》：Tensile behavior at cryogenic temperatures of Al 7075 + 1.8%wt Zr alloy processed by L-PBF

　　加布里埃尔·蒂菲娜 | 尼古拉·诺汤巴 | 玛丽-诺埃尔·阿韦坦·费诺埃尔 | 奥德·西马尔
比利时鲁汶大学

摘要
增材制造技术现在可以通过激光粉末床熔融（L-PBF）工艺加工高强度的Al 7xxx合金。本研究探讨了Al 7075 + 1.8% wt Zr合金在室温和77K下的拉伸性能，以评估其在低温应用中的潜力。未经处理的样品显示出中等强度，但在两种温度下都保持了较高的延展性；而经过优化热处理的样品显著提高了强度，在77K时达到了680 MPa的屈服应力，与锻造Al 7075-T6相当。对热激活强化机制的建模结果与实验结果一致，支持了强化效应的解释。死后分析确认所有样品均发生延性断裂，温度和热处理对断裂机制的影响有限。这些结果突显了L-PBF加工的Al 7xxx合金在需要低温高强度的结构应用中的潜力。

引言
航空航天部件面临极端的太空环境——低温、热循环和真空——这要求材料具有优异的结构完整性和可靠性。为了降低任务成本和环境影响，轻量化至关重要。增材制造（AM）技术的发展使得工程师能够创造出使用传统方法无法或不切实际制造的高效轻量化结构。AM技术允许实现复杂的几何形状和拓扑优化，从而进一步减轻重量并提高性能，同时保持必要的强度和耐用性[1] [2] [3] [4]。
增材制造材料与传统材料相比具有独特的微观结构和性能[5]。对于太空应用而言，在操作条件下表征这些性能至关重要。最近的研究开始探索L-PBF材料的低温行为，包括钢材[6]、高熵合金[7] [8] [9]、钛合金[10] [11]以及铝合金[12] [13]。
Al 7xxx系列高强度铝合金因其出色的机械性能而在航空航天领域得到广泛应用[14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]。例如，T6状态的Al 7075在77K时可以实现600 MPa的屈服应力[19]，使其在低温下密度与屈服应力比要求较高的应用中特别具有吸引力。然而，老化Al 7xxx合金的低温变形行为仍然复杂且了解不足。文献中报告了相互矛盾的趋势：一些研究表明77K时延展性降低，而另一些则观察到延展性改善或非单调的温度效应[17] [21] [22]。这些不一致性源于初始退火条件的差异，尤其是自然状态与峰值老化状态之间的差异。在低温下，三种关键机制增强了延展性：由于溶质原子 mobility 降低而抑制了Portevin-Le Chatelier效应[23] [24]；激活多个滑移系统以提高变形均匀性[25]；以及通过均匀的位错胞结构增强了加工硬化[26] [27] [28]。
尽管取得了这些进展，但由于热裂纹问题，传统的锻造Al 7075仍难以通过L-PBF加工[29]。最近的进展表明，促共晶元素（如Si[30] [31]）或晶粒细化剂（AlTiB[32]、TiC[33]、Zr/Sc[34] [35] [36] [37] [38] [39]）可以缓解这一问题。例如，AlZnMgCu + TiC + TiH2在室温下T6状态下的抗拉强度（UTS）可达600 MPa[40]（而传统Al 7075-T6为550–650 MPa[15] [41] [42]）。AlZnMgCu + Sc + Zr在溶解处理和老化后抗拉强度更高（接近650 MPa[39]），这归功于Al3(ScxZr1?x)和η′纳米析出物的作用。由于Sc稀有且价格昂贵，诺汤巴等人[43] [44]专注于L-PBF加工的Al 7075 + 1.8% Zr合金。通过优化加工参数，他们提出了室温下的良好静态力学性能（UTS 540 MPa）。然而，尽管这些L-PBF合金具有与锻造合金不同的微观结构（如细晶粒、亚稳相），但其低温性能尚未得到研究。本研究通过评估L-PBF加工的Al 7075 + 1.8% Zr在低温下的力学性能，填补了这一空白，提供了一种比Sc改性合金[39] [43] [44] [45]更具成本效益的替代方案。

章节摘录
### L-PBF工艺
本研究中使用的Al 7075 + 1.8% wt Zr粉末与[44] [46]开发的一致。L-PBF工艺使用了ProX? DMP 200设备（3D Systems Inc., USA），激光波长为1075 nm，光斑直径为70μm，最大功率为273 W。样品在未加热的Al5Mg成型板上制造，尺寸为141 mm × 141 mm × 25 mm。所有样品均采用[44] [46]提出的预烧结策略进行处理。

### 拉伸试验
图1绘制了室温和77K下的真实应力-真实应变曲线，相应的工程应力-应变曲线见补充文件SIII。表2总结了所有拉伸试验的结果。正如[44]的结果所预期的，AB样品在室温下的力学性能（屈服应力和抗拉强度）低于T6状态的锻造Al 7075。然而，热处理显著提高了L-PBF加工样品的屈服应力和抗拉强度。

### 拉伸试验中的应力分布
图1显示了L-PBF样品在77K下的应力水平存在显著差异。为了区分设备设置和样品本身的影响，在设备中添加了三个K型热电偶，并确认77K条件在2分钟内稳定。每个条件下对四个样品进行了维氏硬度（室温）测量以评估异质性（结果见表4）。假设压痕下的材料均匀性，可以根据维氏硬度测量结果推导出代表性应力σr和应变??r。

### 结论与展望
本研究评估了L-PBF Al 7075 + 1.8 wt% Zr在77K下的力学性能，得出以下关键结论：
- 屈服应力随温度降低而增加，而断裂应变降低。
- AB样品的拉伸性能低于锻造Al 7075（T4/T6）（屈服应力和抗拉强度分别低25%）。
- 热处理改善了室温和77K下的拉伸性能，达到与锻造Al 7075-T6相当的抗拉强度，并超过了L-PBF Scalmalloy[12]。

### 作者贡献声明
加布里埃尔·蒂菲娜：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。
尼古拉·诺汤巴：撰写——审阅与编辑、资源获取、方法论、概念化。
玛丽-诺埃尔·阿韦坦·费诺埃尔：撰写——审阅与编辑、研究、数据分析。
奥德·西马尔：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资源获取、方法论、资金筹集、概念化。

### 写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本研究过程中，作者使用了Mistral AI开发的AI助手Le Chat来纠正语法和语言错误。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。

### 资金支持
本研究由Space4ReLaunch项目资助，该项目得到了瓦隆地区SPW Economie Emploi Recherche的支持，授予协议编号为2210181。作者还感谢Wallinov GreenAl项目（合同编号2310011）的财务支持，该项目由比利时Wallonie地区的SPW-EER（公共服务部门）资助。

### 利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

### 致谢
作者感谢LACAMI和LEMSC平台的技术支持。作者还感谢Olivier Poncelet和Camille van der Rest在L-PBF加工方面的帮助，以及Mohammed Farag在分析断层数据方面的协助，同时感谢Pascal Jacques在EBSD实验中的宝贵时间。最后，作者感谢Matthieu Lezaack在Al 7075研究方面的有益讨论。