综述：增材制造Al–Ce–Mg合金的组织和性能（上）( 二 ) _热力学

Manca等人成功地证明了增材制造Al-Ce-Cu合金的屈服强度高达275MPa ，极限拉伸强度高达460MPa ，具有良好的热稳定性。除此之外，多位作者正在研究Scallmalloy型合金，其中Al–Mg的合金基体可以用钪和锆进行改性，在某些情况的零件生产中，使用高百分比的钪。
本工作的目的是研究Al–Ce–Mg三元体系作为可印刷铝合金“候选者” ，是否具备可行性。镁在铝基体中的高溶解度对于添加固溶强化很有吸引力，与二元铝铈合金相比， Al–Ce–Mg铸造合金显示出硬度的显著增加和优异的热稳定性。在本研究中，我们研究了两种Al–Ce–Mg合金的增材制造，一种是近共晶的，另一种是过共晶的，均与L→Al+Al11Ce3反应有关，两种合金都添加了大量的镁。
本研究描述了这两种合金的增材制造过程，以及这一过程带来的显微组织和机械性能与温度的函数关系。在热等静压之后评估合金的热稳定性，并且通过考虑AM工艺的热特性的变化以及在高度非平衡冷却条件下的合金热力学和动力学来分析微观结构和性能的变化。
2. 实验步骤
2.1 增材制造和材料
两种Al–Ce–Mg合金设计用于增材制造——Al–11Ce–7Mg和Al–15Ce–9Mg ，就L→Al+Al11Ce3二元共晶反应而言，第一种合金是近共晶成分，而第二种是过共晶成分。添加镁是为了作为固溶强化剂，因为它是催化裂化铝基体中溶解度最高的元素之一。在目标组合物制备锭，再进行氮气雾化，然后筛分出平均粒度分布在20和63μm之间的粉末。
使用德国Concept Laser M2M2激光粉末床熔化系统进行增材制造。对每种合金进行实验设计，以确定最佳工艺条件，然后用其生产拉伸棒。对过共晶合金使用了两种不同的扫描模式——传统的光栅模式和跳跃光栅（skip raster），后一种方式是为了减少局部区域的热量输入。跳跃光栅模式遵循与传统栅格策略相同的一般原则，但每个开口间距(hatch spacing)都扩大了一倍。
在零件的第一次扫描完成后，第二次扫描返回并填充先前未熔化的区域。再熔化的延迟允许局部温度下降，这似乎对减少零件中孔隙的数量有重要的影响。图3显示了跳跃光栅策略与传统栅格模式的对比示意图。两种合金都采用了热等静压(Hot Isostatic pressHIP)处理，为其他合金开发的低温HIP与当前工件处理条件相似。使用电感耦合等离子体(inductively coupled plasmaICP)确定各种加工状态的化学分析。每种条件下的组成汇总如表1所示。
▲图3(A)传统光栅和(B)跳跃光栅的比较
表1雾化粉末和成品零件的测量化学成分。单位：wt%
【综述：增材制造Al–Ce–Mg合金的组织和性能（上）】2.2 机械试验
根据ASTM E8标准，将直径约为15毫米、长度约为105毫米的毛坯圆柱体加工成直径为6.35毫米的抗拉棒。在室温和高温测试中，拉伸测试的应变率均为。高温测试采用10°C/分钟的升温速率和30分钟的保温时间，以确保样品受热均匀。2.3 x射线衍射
X射线衍射(XRD)是使用配置有Bragg–Brentano几何形状的PANalytical Empyrean仪器收集的。使用了辐射(45千伏和40毫安) 。入射和衍射光束光学器件包括发散狭缝、防散射狭缝、接收狭缝等。2.4 显微术
采集光学、扫描电子显微镜和扫描透射电子显微镜(STEM)高角度环形暗场(HAADF)图像。光学显微镜在 Zeiss Axio Imager上获得。扫描电镜是在Zeiss Evo上获得的。聚焦离子束铣削(FIB-M)使用Hitachi NB5000 FIB/SEM仪器进行。 STEM图像是使用FEI Talos F200X、使用与SuperX EDS系统集成的对称A-TWIN物镜收集的。
2.5 硬度测试
室温下在LECO 55自动显微硬度计上进行维氏压痕之前，使用金刚石膏将样品抛光至0.5μm的表面光洁度。使用1 kg载荷，压头保持与表面接触10 s 。对每个样品取36个压痕，并计算平均硬度。
2.6 CALPHAD建模
相图和热化学的计算机耦合用于帮助理解凝固态微观结构。在这种方法中，单个相的Gibbs能量是基于晶体结构和相化学建模的。模型参数是通过优化程序获得的，该程序旨在通过模型计算的相平衡和热力学性质再现实验评估的相平衡和热力学性质。 Al–Ce–Mg系统中各相的Gibbs能量函数采用了Gr?bner等人的研究方法。然后将热力学数据库与Pandat软件耦合，计算液相线投影和凝固路径。

2.7 凝固条件计算
为了了解工艺条件对微观结构发展的影响，采用了简化的半参数热传导模型来无限趋近凝固条件。这里使用的模型依赖于最初由Nguyen等人导出的移动高斯热源的数学解，并使用自适应高斯求积方案来有效和精确地计算长长度和时间尺度上的熔池行为。该模型计算了凝固前沿的热梯度和固液界面速度，这是在共晶温度下发生的。为了捕捉整个材料体的固化条件，进行了多次模拟，以表示至少5层(250μm)的代表性固化材料。此外，为了确保高分辨率(2.5μm)下避免出现大量不可用数据，实验区域设置为位于整个圆柱体中心的半径为1 mm的圆柱体。这一假设不会引起模拟中的任何数值误差，因为一点的温度解析解在空间上与附近的点无关。 Al–Ce–Mg合金的热物理性能近似等于A356 。

综述：增材制造Al–Ce–Mg合金的组织和性能（上）( 二 )

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