辅助制造的ALS10Mg元件电子束焊接接头的完整性评估

激光粉床金属融合是一种很有前途的加工方法,可通过在材料层上添加层来制造复杂度不受限制的部件。然而,生产率和尺寸限制等缺点对在设想的应用程序中使用添加剂制造(AM)加工的组件产生不利影响。这使焊接和连接技术发挥作用,将AM金属零件集成到更大的组件.在目前的研究中,电子束焊接被用来连接到Alsi10mg试样,这是通过两种不同的制造工艺,即pbf-Lb/m和铸造制造的。主要研究的是不同组合的类似和不相同的焊接接头的准静态和疲劳行为,即AM-AM、AM-铸造和铸造,在对微观结构进行深入分析的同时,研究微观和宏观性能之间的相关性。不同的焊接接头显示材料强度较低.这一事实可归因于铸造材料固有的粗组织。虽然在焊接区内类似的AM元件焊接接头存在高孔隙度,但其疲劳寿命较高,这可归因于焊接区内的等轴共晶组织。其特点是具有较好的疲劳寿命,这可归因于焊接区的等轴共晶组织。其特点是具有较好的疲劳寿命,这可归因于焊接区的等轴共晶组织。

1.导言
铝合金已被证明是适合轻量级结构的材料。特别是铸造铝 – 硅基合金已应用于汽车的多用途应用,如汽缸头和轮圈。 [ 1 , 2 ] ALS10MG是一种优秀的铝合金,具有良好的机械性能、低热膨胀性、高耐腐蚀性和良好的焊接性,可通过铸造和添加剂制造(AM)工艺生产。 [ 3 ] 在所有的M工艺中,激光粉床聚变(pbf-lb/m)已被用于制造复杂的Alsi10mg结构,以满足航空航天和汽车工业的特殊要求。

复杂的热循环过程涉及重复熔化和快速凝固过程中,导致一个具有超细分层微观结构的部件,这导致了较高的机械性能,如硬度值高于传统加工的部件。另一项研究报告了用pbf-lb/m制备的ALS10mg的典型抗拉强度和延伸率值。 [ 4 ] 分别为328兆帕和6.2%。超细细胞结构同时具有高强度和延性。

尽管如此,部件尺寸方面的限制和高昂的生产成本仍然是充分发挥pbf-Lb/mALS10mg部件潜力的一大挑战。克服这一缺点的一个很有吸引力的方法是通过将加工过的组件与具有成本效益的模拟组件结合起来来制造混合组件。可靠的连接技术为混合组件提供了更大的设计灵活性和工程解决方案,这些组件由于AM设备的尺寸限制而无法生产。

以前的研究 [ 5 - 9 ] 展示了固态焊接工艺(如搅拌摩擦焊)的可行性,以实现良好的焊接接头,而不会使焊接区域的材料性能和孔隙度发生任何恶化。因此,哈桑等人。 [ 10 ] 成功地应用FWW工艺,将由PBC-LB/M工艺生产的Ti6Al4V和ALS10mG样品连接在一起。取得的焊接接头无宏观缺陷,与基材相比,焊接区和热影响区的孔隙度显著降低。普拉尚等人。 [ 5 ] 应用摩擦焊将由pbf-lb/m制造的ASI12组件连接在一起。他们的研究表明,与基材相比,焊接区的硬度降低了.硬度的降低是由于细胞硅网络转化为SI粒子引起的。赵等人的进一步调查。 [ 11 ] 证实了这一发现,并解释了摩擦搅拌过程中的严重塑性变形使硅沉淀物的细细胞网络化。硅的形态变化导致加工区的抗拉强度明显下降。一些现任作者 [ 9 ] 研究了AlS10mgPBC-LB/M-铸造混合飞毛腿关节的微观结构和性能。微观结构没有孔隙.由于铸造的铝合金为10毫克,因此PBC-LB/ M -铸造混合飞毛腿关节的材料不如PBC-LB/M材料,但优于铸造试样。

焊接过程,如激光焊接 [ 12 - 14 ] 和电子束焊接 [ 15 - 17 ] 也被应用于连接pbf-lb/m铝部件。埃默尔曼等人。 [ 13 ] 由AM和铸造工艺生产的激光焊接铝10毫克。焊接接头显示,在焊接件中直径高达900微米的孔数显著增加。毛利人等人报告了类似的观察结果。 [ 14 ] 用于激光焊接铝基合金的铝合金,由PBC-LB/M工艺生产。由于焊接件孔隙度大,其抗拉强度和断裂延伸率大大低于非焊接PBC-LB/MALS10MG。婴儿车等。 [ 18 ] 研究了ASS10MG型激光焊接混合接头和EAN-6082-T6型轧制的各种焊接接头的疲劳行为。结果表明,焊件中的孔隙是应力集中点。融合带内的这些孔隙在循环载荷作用下使力学性能恶化.崔等人。 [ 19 ] 应用一种新型的激光熔焊工艺焊接PBF-LALS10MG合金,并将其与传统的单通激光焊粉焊接工艺进行了比较。LMD焊接在减小焊接区孔隙尺寸和最小孔隙度方面表现出显著的效果。因此,与传统的激光焊接接头相比,它产生了更高的硬度和拉伸强度。施瓦兹等人。 [ 20 ] 研究了真空环境对pbf-lb铝合金激光焊接的影响。结果表明,激光焊接在真空中与光束振荡相结合,可使孔隙率从1.2%降至0.3%。

纳赫多等人。 [ 15 - 17 ] 用电子束焊接材料研究了PBC-LB/MALS10MG的可焊性,得出的结论是,随着焊接速度的提高,焊缝越来越深、越来越窄;然而,随着焊接速度的减缓,由于孔隙度的降低,可以看到更好的力学性能。微观结构特征显示焊接区孔隙率高.然而,使用最优焊接参数,如较低的焊接速度,可导致较大的焊接池和较低的冷却率导致熔体的脱气,从而实现最小的孔隙度。 [ 16 ]他们还发现,焊接接头的屈服强度(YS)和极限强度(UCT)与基材的屈服强度(YT)基本相近,但也有一定程度的降低。

努内等人。 [ 21 ] 对添加剂PBF-L加工铝合金的可焊性进行了全面的回顾。他们的详细研究表明,在各种熔焊工艺中,电子束焊接是焊接铝合金最合适的工艺,提供了持续更高的抗拉强度值。特别是在疲劳载荷情况下,AM加工部件和焊接部件的性能都很差,至少在采用非最佳参数时是这样。由于几种因素对疲劳性能有显著影响,对疲劳寿命的预测仍然具有挑战性。含有缺陷的材料的特点是,与无缺陷的情况相比,疲劳寿命有限,因为这些缺陷很容易引起裂纹并传播。 [ 22 ] 为了改进对含有缺陷材料的疲劳行为的评估,必须评估不同的方法。根据村上的方法,孔隙和缺陷可以被认为是短裂纹,短裂纹长度依赖阈值可以限制疲劳性能。在此,最大主应力平面上孔隙或缺陷(平方根)的横截面作为初始短裂纹尺寸(A 我 )。这可以用方程计算( 1 ). [ 22 ] 循环应力强度因子 K 我 )可由方程式( 2 ). [ 23 ]
(1)
(2)
地点( Y )是形状因子,表面缺陷等于0.65,体积缺陷等于0.50。 σ )是"精神创伤和痛苦"( A 我 )是"mm"中"mm"( A 我 是"mm"中缺陷的失效启动横截面 2 ”.
作为一种替代办法,石泽办法 [ 23 ] 介绍了缺陷对疲劳性能的影响.这里,如公式所示( 3 ),评估是根据巴黎-埃尔多安法进行的。
 
 
(3)
地点( C ) and ( M )是巴黎法的系数和指数,( N f )是指失败的周期数,和( N f / A 我 (指"mm"中与失效或疲劳寿命有关的周期数 −1 ”.
考虑到不同研究的结果 [ 5 - 10 , 12 - 17 ]目前对于微结构的演化及其对机械性能的直接影响,特别是混合焊接接头的疲劳性能,还缺乏大量的信息。这一点尤其适用于PBC-LB/MALS10MG组件与铸造对应体的电子束。因此,有必要了解并确定焊接过程、微观结构演变和结构在静态和循环荷载作用下的性能之间的关系,以便在焊接结构的整个使用寿命中保持结构的完整性。为此,在AM-AM、AM-铸造和铸造-铸造接头上进行了硬度测量、拉伸和高周期疲劳(HCF)实验。本研究的结果为混合式飞毛腿接头的稳健制造铺平了道路。

2实验组
铝10mm合金(50×20×8毫米)板状标本 3 )是用不同的工序,即调幅和铸造制造的。利用商业上可获得的SLM280HL机器,利用pbf-Lb/M技术,利用可持续土地管理解决方案GmbH公司(德国)制造了AM样品。这台机器配备了400W和1000W光纤激光器.在本研究中,只有400WYB:Y银激光器被用于制造阿尔西10毫克标本。在惰性条件下,也就是说,在砷环境中,利用商用的10毫克(WT%)粉末在20-63欧姆粒径分布,制造试样。制造参数包括1170毫米S −1 扫描速度,400W功率,60mm厚度,以及0.2毫米舱口间距,以制造AM标本。管理层样本是按垂直建筑方向制造的,详情见 图形 1 .在相同尺寸的情况下,铸造试样是通过压铸生产的.所有样品都是在直接源于所考虑的过程的条件下进行测试的,也就是说,没有进行工艺后热处理。选择这一程序是为了调查最坏的情况,因为材料的不均匀性在焊接状态下最为有害。焊接后热处理的考虑超出了本研究的范围,将成为今后工作的主题。为了防止焊接污染,焊接试样的表面用乙醇加工和清洗。在焊接过程中,用特殊的夹板对试样进行校准,使试样几乎没有间隙。试样用电子束焊接成对接接头(图 1c).

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图1
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处理过的AM样品的图解说明(按设计在参考文件中提出。[ 6 , 8 )由(a)pbf-lb/m和b)具有特征性的标称尺寸的板状标本;(c)pbf-lb/m的不一样关节和铸造用电子束完成的标本。重叠的示意图突出说明了用于随后表征的样品的位置。
样品用电子束焊接系统(ECW700/6-60机器,由聚四氟乙烯斯特雷技术公司制造),能够60千伏加速度电压和最大100马束电流。该系统配备了一个旋转转台和一个X级。

真空室的压力保持在2x10。 −4 嗯。在整个实验过程中,工作距离(184mm)、加速电压(60千瓦)和焦点线圈电流(496毫安)等参数保持恒定。焊接时不使用填充金属.从对AM标本进行的初步试验中,观察到至少100焦耳毫米 −1 为了确保焊接的完全穿透,需要用光束振荡来输入热量.详细的焊接工艺参数载于 桌子 1 .

Table 1. 欧洲钢铸造试样、PBC-LB/M试样和混合试样的焊接工艺参数
波束电流b[MA]    如果[MA]有焦点线圈电流    焊接速度 v [毫米S −1 ]    热输入[J毫米 −1 ]    波束振荡函数    波束幅 X , Y [%]    波束频率[赫兹]
相似/不同的电子焊接接头    35    496    20    105    adem202301401-gra-0001    10    600
利用光学显微镜和扫描电镜对焊接截面进行了微观结构表征。通过机械研磨和抛光制备了样品.用碳化硅磨料将样品磨成4000粒,并在胶体二氧化硅悬浮液中进行机械抛光。在二次电子(SE)模式下,利用在20千伏标称电压下工作的CAM扫描mM2300扫描电镜来评估微结构的演化。利用凯勒的试剂蚀刻标本,进行OM分析。维克斯微硬度测试是用一个Kb30S硬度测试器与一个典型的钻石缩进器的角度136度。根据标准ASTM:E384-111E1,对焊接试样的横截面表面每一个缩进施加10秒的力。凹槽中间至中间的距离为0.5毫米。 X -方向和0.3毫米 y -direction.

从焊接板上加工用于拉伸和疲劳试验的试样。所有测试都采用单一几何学,如 图形 2a .用应变率为2.5×10的岛津5KN通用测试系统进行了准静态拉伸试验。 −4 s −1 用特殊的固定装置和适配器夹紧试样。基于准静态应力-应变曲线,测定了杨氏模量、屈服强度0.2%塑性应变、极限抗拉强度和断裂应变。所有的拉伸实验都是在室温下进行的。

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图2
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a,b)照明和猫疲劳试验的实验设置;c)三个焊接条件AM-AM、AM-铸造和铸造(照片颜色被修改以更好地理解)。
为了评估hf的性能,进行了两种类型的应力控制疲劳试验,即负载增加试验和恒幅试验。通过将施加的应力幅值逐步增加5Ma,从10Ma增加到未能检测到临界应力幅值,在此情况下,试样预计会在不流出的情况下失效。为了建造 S–N 三种不同焊接条件的曲线(AM) – 我,我 – 铸造,铸造 – ),如图所示 2c ,研究疲劳行为和疲劳极限。疲劳测试是利用一个在应力比下达到约1000赫兹的频率的鲁穆尔吉福50(负载电池50KN)共振测试系统进行的。 R 是-1.温度变化是用热电偶测量的,如图所示的实验装置所示。 2b .应当指出,所有的六氯化氢实验都是在室温下进行的,不需要强制冷却。用扫描电镜对疲劳试验标本进行了断裂分析。采用断裂分析法对失效引发缺陷的尺寸进行了测量和计算,然后利用公式( 3 ).

3结果和讨论
3.1焊接形态和缺陷
用热输入约100Jmm的电子束焊接成功地在相似和不相似的接头上完成了ALS10MG试样的全透焊。 −1 .不同的试样(AM铸造)显示出比类似焊接接头更薄的焊接宽度和更粗糙的焊接珠面。焊接的后缝是可见的,这证实了全深度穿透焊接。

图形 3 显示不同焊接接头的横截面。电焊接头无明确的热影响区。由于功率密度较高和梁振动的影响,电子束混合焊缝的横截面呈顶部凹陷。马斯塔奈亚等人。 [ 24 ] 由此得出结论:随着焊接过程中热输入量的增加,上压增加.还可以用像圆和双圆这样的梁振动图形来解释,这些图形在焊接降低焦点功率密度时使用,并与梁振荡图形一起形成凹陷,确保了焊接区的良好出气。

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图3
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Eb-焊接相似和不相同部件的金相学特性概述。详情见文本。
在EB混合焊接接头的截面上没有孔隙度或不规则现象。(图 3 ,左)。这可以归因于铸造物的高密度.

如文献所述, [ 19 ] PBC-LB/M合金中存在微小的孔隙或高浓度的氢和氧,可能导致焊接区形成高孔隙。本文研究了用ALS10mG粉末制备PBC-LB/MALS10mG板的方法,已知由于金属粉末比实板的比表面积大得多,这些板易于氧化。 [ 25 ] 因此,人们认为,pbf-Lb/m铝合金10毫克板中的氧量比铸造铝10毫克板中的氧量要高得多,也就是说,pbf-Lb/m铝合金10毫克板中的氧化物量比铸造铝10毫克板中的氧量要高得多。这些氧化物容易吸收(H 2 (o)来自周围空气和屏蔽性气体。

另一项研究的研究结果 [ 26 ] 表明氢在铝溶液中的溶解度高达每100毫克材料0.7%毫升,而固体铝的溶解度则低得多,约为0.036毫升/100毫克。差不多20倍。因此,氢在焊接过程中从液体向固态过渡时从材料中沉淀出来。一旦氢气泡在焊接过程中形成,它们的脱出就成为一项艰巨的任务.因此,PBC-LB/MALS10MG板的焊接孔隙率明显高于铸造的ALS10MG板。

纳赫多等人。 [ 16 ] 已经报道说,焊接金属的孔隙度取决于基础材料的孔隙度。焊接区下半部分具有完全密集区特征,焊接区上半部分有较大的孔隙。 [ 16 ] 根据另一项研究中概述的结果, [ 27 ]很明显,焊接过程中形成的氢气泡很难离开焊接池.取而代之的是,当它们在焊接池中上升时,它们经历了逐渐的合并和合并过程。由于这种行为,大气孔主要集中在焊接的上部。基本上,可以得出结论:气孔是ALS10MG元件的EB焊接接头的主要缺陷。

3.2微观结构表征
在SE模式下采集的扫描电镜显微图表明,PBC-LB/M、铸造和混合接头的焊接截面具有不同的微结构形态。 图形 4 显示了混合型PBC-LB/M铸造接头的微观结构。在铸造试样的情况下,贱金属显示了在合金凝固过程中以较低的冷却速率形成的长在0.12到0.06欧姆之间的针状大型富硅颗粒。这些粗共晶硅针在焊接区内破碎成小颗粒,尺寸为0.004并入0.0.0.8。还可以看到,pbf-lb/m的微观结构是由嵌入在Al矩阵中的富含硅的微粒组成的。快速冷却(10) 3 –10 6 摄氏度 −1 这种特殊的微观结构是由于再加热而形成的。由于快速凝固,硅和其他合金元素的扩散会受到阻碍,从而形成细硅网络。 [ 28 ] 这种精细的细胞结构在通过pbf-lb/m添加制造的ALS10mg合金中被观察到。这些精细的信息丰富的网络可以阻止位错运动,最终提高材料的强度。 [ 29 ]随着焊接过程中的热输入,在PBC-LB/M贱金属中,硅离子从超细富硅网络中扩散并形成更大、更均匀、更粗的颗粒。在混合焊接接头(pbf-lb/m-铸造)中,焊接边界中富硅粒子的微晶尺寸大约为0.036倍。在杂交试样的焊接区内,失去了pbf-lb/m的柱状结构,形成了细胞形态。富硅粒子形态学显示向融合线的尺寸增加。这里的微晶尺寸在0.04到0.06倍之间。在熔合区,微观结构相当均匀.这表明,在热输入的情况下,PBC-LB/M和铸造试样的微观结构是相似的,但基础金属形态是非常不同的。EB焊接导致合金凝固相对较快,形成细晶状的树突状组织。

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图4
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SE图像的混合pbf-lb/m-铸造标本显示不同区域的关节横截面的不同放大度,在那里bd代表建筑方向。详情见文本。
图形 5 显示了AM-AM关节的SE图像。显然,在AM样品中,在pbf-lb/m过程中形成了精细的富硅网络。如上所述,在pbf-lb/m过程中的快速凝固是形成微量富硅颗粒的原因。另外值得注意的是,由于温度的上升,高硅粒子在热影响区稍粗化。该合金在电子束束上凝固后,在焊接区形成了树突状组织。在高倍镜下,共晶硅+铝相和初级 α -可以观察到。应当指出的是,在电子束波上形成的富硅粒子比在PBC-LB/M过程中形成的颗粒要粗得多。这可以归因于pbf-Lb/m工艺的冷却率高于欧洲原子能机构。 [ 6 , 30 , 31 ] 在以前的一些作者的研究中,FWW被用来加入AM部件。 [ 6 , 8 ] 通过对电子束焊接(EWW)和飞毛腿焊接(RFS)焊接区的微观结构的比较。[ 5 , 6 , 8 ),可以推断出,电子束波技术可以形成更细的富硅粒子。这可能归因于电子束焊接过程中的快速凝固。虽然FWH是一种固态连接过程,即非熔焊,但工件温度可能大幅上升,最终导致富硅颗粒的粗化和团聚。 [ 6 - 8 ] 需要注意的是,在PBC-LB/M-PBC-LB/M接头的焊接区形成了大的洞。众所周知,在金属融合焊接过程中,树突的生长方向是形成孔洞的关键。 [ 32 ] 熔焊过程中发现了一个光滑的等轴晶区和一个粗糙的、不规则的枝晶区。据报告,后者对凝固最后步骤中的空洞形成负责。 [ 32 ]

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图5
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在不同的放大度下,显示不同区域的关节横截面的pbf-lb/m-pbf-lb/m样本的Se图像,在那里,bd代表建筑方向。详情见文本。
铸造接头的SE图像在 图形 6 .与其他接头相似,焊接区的微观结构包括共晶硅+铝相和原相。通过对铸造件和焊接区的微观结构的比较,可以推断出在传统铸造过程中形成的共晶硅针比在电子束上凝固过程中形成的硅针更粗。在凝固过程中,硅针的尺寸如此之大的差异可能与不同的冷却速率有关。 [ 8 , 30 , 31 ]凝固过程中的冷却速率不仅对组织结构有很大的影响,而且对接头的力学性能也有很大的影响。

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图6
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在不同的放大度下显示不同区域关节横截面的铸造标本。详情见文本。
一般而言,通过SE分析获得的微观结构特征证实了富硅颗粒的尺寸和形态与凝固过程中的冷却速率密切相关。

3.3硬度
如图所示 图形 7,在焊接区,所有试样的显微硬度分布基本相同。铸造试样焊接界面硬度值约为110HV,明显高于基材,即65HV。在pbf-lb/m标本中观察到相反的结果。焊接区的硬度值从基础金属中的120HV降至110HV。与这些结果相比,PBC-LB/M铸造试样的硬度曲线与预期值相同。PBC-LB/M-铸造焊接区(WZ)的硬度值约为10HV,比EWW铸造试样焊接界面的硬度值低。一般来说,不同区域和条件下的硬度值可与富硅颗粒的尺寸联系起来。在高温焊接过程中,PBC-LB/M组分的细粒组织丢失,硅颗粒粗化。由于高温条件下组织粗化,边界数减少,位错运动便利,最终导致WZ硬度值下降。在铸造试样的WZ中,由于热液中的快速凝固,形成了较细的富硅颗粒,从而提高了该区域的硬度值。因此,纯铝、硅颗粒和共晶组织的固有强度分别对铸造铝10毫克合金的总强度有显著的贡献。另一方面,与铸造材料相比,pbf-lb/mALS10mG材料的硬度较高,可归因于其较高的冷却率导致形成最好的富硅网络。普拉曼特等人。边界数减少,位错运动便利,最终导致硬度值下降在WZ。在铸造试样的WZ中,由于热液中的快速凝固,形成了较细的富硅颗粒,从而提高了该区域的硬度值。因此,纯铝、硅颗粒和共晶组织的固有强度分别对铸造铝10毫克合金的总强度有显著的贡献。另一方面,与铸造材料相比,pbf-lb/mALS10mG材料的硬度较高,可归因于其较高的冷却率导致形成最好的富硅网络。普拉曼特等人。边界数减少,位错运动便利,最终导致硬度值下降在WZ。在铸造试样的WZ中,由于热液中的快速凝固,形成了较细的富硅颗粒,从而提高了该区域的硬度值。因此,纯铝、硅颗粒和共晶组织的固有强度分别对铸造铝10毫克合金的总强度有显著的贡献。另一方面,与铸造材料相比,pbf-lb/mALS10mG材料的硬度较高,可归因于其较高的冷却率导致形成最好的富硅网络。普拉曼特等人。在铸造试样的WZ中,由于热液中的快速凝固,形成了较细的富硅颗粒,使该区域的硬度值提高。因此,纯铝、硅颗粒和共晶组织的固有强度分别对铸造铝10毫克合金的总强度有显著的贡献。另一方面,与铸造材料相比,pbf-lb/mALS10mG材料的硬度较高,可归因于其较高的冷却率导致形成最好的富硅网络。普拉曼特等人。在铸造试样的WZ中,由于热液中的快速凝固,形成了较细的富硅颗粒,使该区域的硬度值提高。因此,纯铝、硅颗粒和共晶组织的固有强度分别对铸造铝10毫克合金的总强度有显著的贡献。另一方面,与铸造材料相比,pbf-lb/mALS10mG材料的硬度较高,可归因于其较高的冷却率导致形成最好的富硅网络。普拉曼特等人。大大提高了铸造铝合金的总强度。另一方面,与铸造材料相比,pbf-lb/mALS10mG材料的硬度较高,可归因于其较高的冷却率导致形成最好的富硅网络。普拉曼特等人。大大提高了铸造铝合金的总强度。另一方面,与铸造材料相比,pbf-lb/mALS10mG材料的硬度较高,可归因于其较高的冷却率导致形成最好的富硅网络。普拉曼特等人。 [ 5 ] 据报道,在通过摩擦焊焊接的PBC-LB/M-12硅部件中,由于WZ中的铝基质中溶解的硅含量减少(约为1.5wt%),以及铝和硅颗粒的更粗的结晶尺寸,硬度值下降。

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图7
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不同组合(AM-AM、铸造-铸造和铸造-AM)Eb焊接接头的显微硬度。
3.4准静态拉伸试验
在准静态性质的情况下,AM-AM焊接试样显示出与其他两种条件(AM铸造和铸造)相比最高的屈服率(200兆帕)和极限强度(234兆帕)值。铸造焊接试样的屈服度最低(106兆帕),极限强度最低(125兆帕)。 图形 8a,b .结果还表明,在AM-焊接试样中,断裂通常发生在铸造区,而AM-AM焊接试样中,失效通常发生在中间焊接接头处。此外,AM-AM接头强度的提高可归因于极其精细的富硅网络的存在和相对精细的富硅粒子在PBC-LB/M和WZ中的存在。以前有报道称,SIS10mg中富含Si的精细网络和微粒能够阻止位错运动,并最终提高强度。 [ 8 ] 一般而言,所有关节的延性都很差,尽管相似关节的断裂应变略高于不同关节的断裂应变。关节延性差可能与微观结构中明显的不均匀性有关,即存在不同尺寸和形态的富硅颗粒/网络(图)。 4 - 6 )。众所周知,在焊接试样中,塑性变形的定位可能发生在较软的区域,导致裂纹的发生和试样的过早断裂。 [ 8 , 33 , 34 ] 另外,从显微硬度图来看(如图所示) 7 ),整个试样硬度值的异质性将导致非均匀和局部变形,这将导致如图所示的断裂应变值偏低。 8 .在断裂试样中观察到这一点,在铸造-铸造和AM-铸造试样中,破坏总是发生在铸造侧,而在AM-AM试样中,则发生在焊接段。

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图8
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三个焊接条件(AM-AM、AM-铸造和铸造-铸造)的张力试验结果:a)拉伸应力-应变曲线和b)强度与断裂应变。
3.5疲劳测试
这些试验是在三个条件下进行的。在实验中测量了温度.应当指出,所有三种情况下的温度变化均小于3°C,这表明试验频率高并不影响试样的温度及其性能。LIT的结果显示在 图形 9a ,应力幅幅每2×10增加5兆帕 6 循环。一般而言,在试验状态下,AM-AM样品的疲劳性能优于其他情况。还值得一提的是,对于AM-铸造和铸造试样,断裂总是发生在铸造侧;然而,在AM-AM试样的焊接段,疲劳裂纹是模拟的。

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图9
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a)三个焊接条件(AM-AM、AM-铸造、铸造-铸造)(楼梯台阶形状用于应力剖面)的计算结果。(b)三种焊接条件下的沃勒曲线。
此外,图中显示了所有三种情况下的S-N曲线。 9b .基本上,高应力幅值在所有情况下都会导致疲劳寿命的降低。这是由于裂纹成核和扩展在循环荷载作用下对应力幅值的依赖。 [ 35 ] 与其他两个条件相比,AM-AM条件具有最高的疲劳极限和强度,其次是AM-铸造条件。铸造有最低的疲劳极限和强度.单调强度增加 [ 8 , 36 ] 在增强裂纹成核阻力方面具有显著的效果,因此,与其他两种条件相比,在屈服度和极限强度值较高的AM-AM关节中,预期会有优越的疲劳行为。同样值得注意的是,在铸造和铸造标本的情况下,断裂发生在铸造侧。对于AM-AM试样,断裂发生在焊接部分.此外,还应考虑焊接的异质组织对结果可靠性的影响。以前有报道称,微结构异质性会影响几种金属材料的循环性能。 [ 37 - 39 ] 微结构异质性可作为微结构缺口,导致塑性变形定位并最终产生裂纹. [ 37 , 40 , 41 ] 在本研究中,存在一个不均匀的组织跨越焊接的AM-铸造.由于连接端存在收缩缺陷(见下节)和微结构异质性,该区域可促进疲劳裂纹的发生。需要讨论的一个非常重要的问题是,尽管与其他条件相比,孔隙率最高,但AM-AM条件的疲劳强度较高。铸造材料的强度较低,延性稍高,可能导致循环塑性变形的定位,从而导致疲劳裂纹在该区域的发生。富硅粒子的尺寸对杂交接头的抗疲劳性影响很大。 [ 9 ] 一般而言,AM和WZ中富含硅的微粒在单调载荷作用下会引起强度的增加,这对提高裂纹起爆的阻力非常有效。 [ 36 ]

3.6裂痕记录
进行了断裂分析,见 图形 10 .可以观察到,破坏是由表面或地下孔隙引起的。如图所示,铸造-铸造试样中,失效是由次表面压铸过程引起的缺陷(收缩孔)引起的,而在AM-AM试样中,失效则是由表面pbf-lb加工引起的缺陷(锁孔孔)引起的。由此可以看出,加工过程引起的缺陷(压铸或pbf-lb)对裂纹的发生和扩展产生了非常有害的影响,从而影响了材料的疲劳行为。这种影响应该通过应用不同的方法来考虑,如石泽方法,以使"缺陷"表示疲劳行为。

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图10
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不同焊接条件下疲劳失效位置的示意图.对铸造中的a)10mg的断裂分析--铸造焊接条件突出了压铸过程引起的缺陷(收缩孔)和b)AM--焊接条件突出了pbf-lb/m加工引起的缺陷(锁孔孔)。
如图所示 图形 11a 将不同焊接条件下试样的沃勒曲线合并成一个沃勒曲线。很明显,结果的散射度很高,其中测定系数 r 2 是0.112.由于失败启动缺陷大小的影响在伍勒曲线中没有考虑,这种明显的散射是可以预期的。为了进行更好的疲劳评估,用方程构造了石泽曲线( 3 )的方法是绘制循环应力强度系数( K 我 )用方程式计算( 1 ) and ( 2 )关于 Y -导致故障的轴和缺陷相关的周期数( N f / A 我 )关于 X -轴,如图所示 11b .石泽曲线考虑了失效引发的缺陷大小,并使"缺陷"表示疲劳行为。基于这些考虑,可以尽量减少结果的分散性,以最终达到 r 2 等于0.79.如另一项研究所示,石泽的基于线性弹性断裂力学的方法可以考虑到不同AM合金(Alsi10mg,316l和tnm-1)的过程引起的缺陷。 [ 42 ] 该方法还可以考虑平均应力和尺寸效应的影响,但没有考虑循环塑性的影响。 [ 43 ] 应当指出的是,在焊接中的异质组织最终会影响数据的散射和结果的可靠性。即使是类似的关节,即AM-AM和铸造铸造样品,也包括具有各种微结构特征的区域(例如:、富硅粒子、缺陷等。)。

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图11
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a)三个焊接条件(AM-AM、AM-铸造、铸造-铸造)的伍勒曲线,其特征是三个焊接条件下明显的散射和b)低散射的石泽曲线。
3.7工艺----微观结构----性能-----损害关系
本研究所述结果表明,该方法能够成功地制造出类似和不相同的焊接接头。因此,本研究中所取得的微观结构演化、力学性能和断裂分析被用于评估过程----微观结构----性能----损害关系。 图形 12 .

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图12
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在本研究中阐述的过程----微观结构----性能关系的示意图.
可通过铸造和AM等不同工艺制造出SIS10mm合金的组分。这些过程的特点是凝固、冷却和固有热处理的速度不同,导致硅沉淀物的形态和尺寸的变化。

通过图解的方式,EWW可以用来成功地连接铸造-铸造---铸造--------------------------------铸造----------------------考虑到微结构的演化,观察到的力学性能与富硅颗粒的大小和形态有关。不同尺寸、不同形态的富硅颗粒在M-铸造中的分级特性是相关的。如前所述,由于快速凝固而在AM侧和WZ中形成的富含硅的精细网络和颗粒是UT增强和疲劳特性的原因。 [ 6 ] 由于在铸造铸造件的焊接过程中,电子束钢的凝固速度很快,因此该接头由WZ中较细的富硅颗粒组成,与基本金属相比,最终在该区域产生了较高的强度。

硬度测量表明,一方面,具有相对类似的机械性能的AM-AM零件的制造是可能的。类似的机械行为,铸造和铸造)和异类(即:在循环载荷作用下,浇铸接头的疲劳性能优于其他情况。此外,与铸造接头相比,AM-铸造接头具有较好的疲劳性能。本研究的结果表明,通过使用不同的接头,制备具有定制机械性能的ALS10MG元件是可行的。

如前所述,AM-AM试样与AM铸造和铸造铸造试样相比,表现出了优越的疲劳性能,尽管AM-AM标本含有较大的空腔。与其他条件相比,在所有区域,该关节的硬度和强度均较高,而且均匀,这可以算出AM-AM条件的更好的疲劳特性。就裂纹起爆区而言,由于富硅粒子明显较粗,最终铸造件强度较低,所以裂纹是在铸造试样的铸造侧发生的。铸造件中存在的收缩缺陷是疲劳裂纹发生的合适场所. [ 44 , 45 ] 疲劳裂纹是在WZ上发生的.这可能是因为在电子束波中形成了巨大的洞穴。文献中已经有很多报道指出,在牙洞附近出现了疲劳裂纹。 [ 46 - 48 ]

将本研究报告所述结果与以往调查结果进行比较 [ 6 , 8 ] 在目前一些关于AM铝合金的FWH的作者中,可以得出这样的结论,即在EWW中较高的冷却速率,而不是FWW中较高的冷却速率,会导致形成细而分散的富硅颗粒,从而使WZ中的硬度和强度更高。虽然飞毛腿可以进行相当大的晶粒精炼,但富硅颗粒的尺寸和形态似乎决定了铝10毫克合金的强度。

4.结论
已采用两种不同的制造工艺来生产ALS10毫克试样,即金属PBC-LB/M和传统铸造。这两个材料条件的一体化是通过使用电子束焊接来实现的,从而形成了一个混合接头。为了从根本上理解焊接接头的过程--结构--性能关系,研究了焊接接头的微观结构特性和力学性能。主要调查结果可归纳如下。1)在类似和不同的条件下,采用EB焊接工艺生产无裂纹焊接。然而,类似的AM-AM接头的特点是高孔隙度的焊接区.2)在电子束焊接过程中的快速凝固可导致形成类似于AM过程的细而分散的富硅颗粒。(3)电子束焊接技术仅略微影响焊接补充制造的ALS10MG零件的机械性能。这一良好的结果为在制造大型M元件时使用电子束焊接工艺提供了可能性。4)加工过程引起的缺陷(由压铸或pbf-Lb/m产生)对疲劳行为有重大影响,因此,在评估疲劳行为时必须加以考虑。与一般孔隙体积相比,表面和地下孔隙对疲劳极限的影响更大。当采用石泽曲线时,它能够"基于缺陷的"表示,并最终通过减少不同过程引起的缺陷产生的散射,改进对有缺陷材料的疲劳评估。

值得一提的是,根据我们的最新了解,本研究首次报告了利用AM技术和铸造技术生产的ALS10MG元件的电子束接头的疲劳行为。