一种Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，具体而言，涉及一种Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件及其制备方法与应用。

背景技术

Al-Zn-Mg-Cu系合金因密度低、比强度高、良好的韧性和抗腐蚀性能等特点而广泛应用于航空航天、交通运输、汽车制造、军事等领域，传统铝合金加工工艺主要采用熔炼、铸造和锻造等手段，采用传统熔炼、铸造和锻造等手段制得的铝合金构件在组织结构以及力学性能方面越来越难于满足目前大尺寸和复杂结构的铝合金产品要求。

增材制造技术从三维数字化模型直接制造成实体零件，可以使得零件结构轻量化、性能复合化，具有节约材料，制造周期短、低成本等优点。因此增材制造Al-Zn-Mg-Cu系合金有着重要的研究意义及良好的应用前景。

目前根据热源的不同，增材制造主要集中在激光选区熔化(SLM)、电子选区束熔化(EBSM)和电弧熔丝制造(WAAM)等方面。

其中，SLM技术利用高能激光束快速熔化金属粉末，获得几乎任何尺寸和形状的高精度金属器件。它的主要优点是能量稳定性好，近净成形，产量和原材料的高效利用。但是成型效率低，局部热源引起的温度梯度较高，可能会造成较大的残余应力，使材料容易变形开裂。此外，由于沉积速率低，成形尺寸有限，SLM技术很难满足大型零件快速制造的要求。EBSM技术以电子束为热源，将粉末加热，层层堆积成实体。电子束功率较高，可以提供激光无法达到的热输入，在一定程度上提高了生产效率，有利于较大尺寸结构件的制造。但其工作条件苛刻，必须处于真空环境中，同时设备成本与生产成本高，精度提高的同时成形件尺寸也受到真空室限制。WAAM以电弧作为热源，具有生产设备简单，材料利用率高、能生产大型构件、高效率等优点，但目前以电弧熔丝制造出的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件不能兼顾力学性能和耐蚀性。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件，其能够在具有较高力学性能的同时具有较佳的耐蚀性。

本发明的目的之二在于提供一种上述Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种上述Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的应用。

本申请可这样实现：

第一方面，本申请提供一种Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件，其由Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料以电弧熔丝的方式沉积于基材表面而得；该Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分包括5-6wt％的Zn、2-3wt％的Mg、1-2wt％的Cu、0.1-0.3wt％的Cr以及不超过0.9wt％的杂质元素，余量为Al。

在优选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分包括5.2-5.8wt％的Zn、2.2-2.8wt％的Mg、1.5-1.8wt％的Cu、0.15-0.25wt％的Cr以及不超过0.8wt％的杂质元素，余量为Al。

在更优的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分包括5.52wt％的Zn、2.56wt％的Mg、1.62wt％的Cu、0.20wt％的Cr以及不超过0.5wt％的杂质元素，余量为Al。

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料为直径为0.8-1.5mm的7075铝合金焊丝；优选为直径为1.2mm的7075铝合金焊丝。

在可选的实施方式中，基材的化学成分包括5-6wt％的Zn、2-3wt％的Mg、1-2wt％的Cu、0.15-0.35wt％的Fe、0.05-0.15wt％的Si、0.15-0.3wt％的Cr以及不超过0.5wt％的杂质元素，余量为Al。

在优选的实施方式中，基材的化学成分包括5.5-5.8wt％的Zn、2.5-2.8wt％的Mg、1.2-1.8wt％的Cu、0.2-0.25wt％的Cr以及不超过0.4wt％的杂质元素，余量为Al。

在更优的实施方式中，基材的化学成分包括5.65wt％的Zn、2.61wt％的Mg、1.46wt％的Cu、0.22wt％的Cr以及不超过0.3wt％的杂质元素，余量为Al。

在可选的实施方式中，基材为T6态的7075铝合金轧制板。

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件为单道次多层Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件。

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的组织中，水平方向上呈树枝晶、等轴晶和少量柱状晶的分层分布，沉积方向由等轴晶和少量细长的柱状晶组成。

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件所含的第二相主要包括Mg

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的水平方向的硬度为70-75HV

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的水平方向的平均摩擦系数不超过0.511，平均磨损量不超过1.093mm

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的水平方向的自腐蚀电位不低于-0.9575V，自腐蚀电流不超过-3.0794A/cm

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的水平方向的平均抗拉强度不低于358.64MPa，平均屈服强度不低于196.15MPa，平均延伸率不低于37.9％；沉积方向的平均抗拉强度不低于269.29MPa，屈服强度不低于140.65MPa，延伸率不低于32.52％。

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的断裂方式为韧性断裂。

第二方面，本申请提供如前述实施方式任一项的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的制备方法，包括以下步骤：将Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料以电弧熔丝的方式沉积于基材表面。

在可选的实施方式中，电弧熔丝的工艺条件包括：焊接电流为80-120A、焊接电压为10-15V、送丝速度为7-10m/min、行进速度为5-8m/min以及气流量为18-22L/min。

在优选的实施方式中，电弧熔丝的工艺条件包括：焊接电流为100A、焊接电压为12V、送丝速度为8.5m/min、行进速度为6.5m/min以及气流量为20L/min。

在可选的实施方式中，沉积Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料之前，还包括去除基材表面的氧化皮及有机物，干燥后预热至75-85℃。

第三方面，本申请提供如前述实施方式任一项的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的应用，例如用作大尺寸的铝合金构件。

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件用作航空航天、交通运输、汽车制造、军事装备或工装夹具中的结构件。

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件用作汽车底盘。

本申请的有益效果包括：

本申请通过采用特定的原料和制作工艺参数结合，使得采用电弧熔丝方法制作兼具较高的力学性能及耐蚀性的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件成为可能，所制得的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件在沉积方向具有较高的硬度和耐磨性，且该试件整体具有较高的自腐蚀电位、较低的腐蚀电流密度以及较高的力学拉伸性能，满足目前大尺寸和复杂结构的铝合金产品的高性能要求，可用作航空航天、交通运输、汽车制造、军事装备或工装夹具中的结构件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为试验例宏观成型形貌分析中沉积样的宏观形貌图及表面粗糙度三维表面形貌图；

图2为试验例显微组织分析中测试件的显微组织形貌图及金相组织图；

图3为试验例显微组织分析中测试件的EDS元素分布图；

图4为试验例显微组织分析中测试件的SEM EDS分析结果图；

图5为试验例相结构分析中测试件的XRD分析结果图；

图6为试验例力学性能分析中测试件的显微硬度分布图；

图7为试验例力学性能分析中测试件的耐磨性结果图；

图8为试验例力学性能分析中测试件的拉伸性能结果图；

图9为试验例力学性能分析中测试件在拉伸试验完成后的断口形貌SEM图；

图10为试验例耐腐蚀性能中测试件的耐蚀性能结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件及其制备方法与应用进行具体说明。

发明人提出，目前以电弧熔丝制造出的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件不能兼顾力学性能和耐蚀性的原因可能主要在于：其一，铝合金电弧增材制造过程中容易使得氢含量超过表面，产生气孔；其二，多次沉积导致重新熔化产生残余应力，凝固后组织存在偏析，导致试样机械强度较低。

鉴于此，发明人创造性地提出了一种有效可行的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的增材制造方法，其通过采用特定的原料和制作工艺参数结合，有效克服了现有技术中电弧熔丝制造出的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件不能兼顾力学性能和耐蚀性的问题。

本申请提出Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件，其由Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料以电弧熔丝的方式沉积于基材表面而得；该Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分包括5-6wt％的Zn、2-3wt％的Mg、1-2wt％的Cu、0.1-0.3wt％的Cr以及不超过0.9wt％的杂质元素，余量为Al。

可参考地，Zn的含量可以为5wt％、5.2wt％、5.5wt％、5.8wt％或6wt％等，也可以为5-6wt％范围内的其它任意值。

Mg的含量可以为2wt％、2.2wt％、2.5wt％、2.8wt％或3wt％等，也可以为2-3wt％范围内的其它任意值。

Cu的含量可以为1wt％、1.2wt％、1.5wt％、1.8wt％或2wt％等，也可以为1-2wt％范围内的其它任意值。

Cr的含量可以为0.1wt％、0.15wt％、0.2wt％、0.25wt％或0.3wt％等，也可以为0.1-0.3wt％范围内的其它任意值。

杂质元素包括Si和Fe等，下同。

值得说明的是，本申请中Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分Zn、Mg、Cu以及Cr可在上述范围自由组合，余量即为Al。

在一些优选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分示例性地可包括5.2-5.8wt％的Zn、2.2-2.8wt％的Mg、1.5-1.8wt％的Cu、0.15-0.25wt％的Cr以及不超过0.8wt％的杂质元素，余量为Al。

在一些更优的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分示例性地可包括5.52wt％的Zn、2.56wt％的Mg、1.62wt％的Cu、0.20wt％的Cr以及不超过0.5wt％的杂质元素，余量为Al。

上述化学成分中，Zn于Mg形成的MgZn

Mg主要起到增加可焊性和抗蚀性作用，同时提高合金强度。当Mg的含量低于1.5wt％容易导致可焊性、抗蚀性及强化效果不明显，高于3wt％容易形成Mg

Cu主要起到固溶强化效果，此外时效析出的CuAl

Cr主要与其它元素形成金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，起到强化作用。当Cr的含量低于0.1wt％容易导致强化效果不明显，高于0.3wt％容易导致偏析。

在可选的实施方式中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料为直径为0.8-1.5mm(如0.8mm、1mm、1.2mm或1.5mm等)的7075铝合金焊丝；优选为直径为1.2mm的7075铝合金焊丝。该直径尺寸下的焊丝，在本申请所采用的电弧熔丝工艺条件下能够获得更好的熔丝效果，进而获得更佳的产品性能。

在可选的实施方式中，本申请所采用的基材的化学成分示例性地可包括5-6wt％的Zn、2-3wt％的Mg、1-2wt％的Cu、0.15-0.3wt％的Cr以及不超过0.5wt％的杂质元素，余量为Al。

在优选的实施方式中，基材的化学成分包括5.5-5.8wt％的Zn、2.5-2.8wt％的Mg、1.2-1.8wt％的Cu、0.2-0.25wt％的Cr以及不超过0.4wt％的杂质元素，余量为Al。

在更优的实施方式中，基材的化学成分包括5.65wt％的Zn、2.61wt％的Mg、1.46wt％的Cu、0.22wt％的Cr以及不超过0.3wt％的杂质元素，余量为Al。

可参考地，基材示例性地可以为T6态的7075铝合金轧制板，尺寸示例性地可以为300mm×100mm×6mm(长×宽×高)。

本申请中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件优选为单道次多层Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件。

相应地，本申请还提供了上述Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的制备方法，包括以下步骤：将Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料以电弧熔丝的方式沉积于基材表面。

在可选的实施方式中，电弧熔丝的工艺条件示例性地可包括：焊接电流为80-120A、焊接电压为10-15V、送丝速度为7-10m/min、行进速度为5-8m/min以及气流量为18-22L/min。

可参考地，焊接电流可以为80-120A，如80A、85A、90A、95A、100A、105A、110A、115A或120A等，也可以为80-120A范围内的其它任意值。

焊接电压可以为10V、11V、12V、13V、14V或15V等，也可以为10-15V范围内的其它任意值。

送丝速度可以为7m/min、7.5m/min、8m/min、8.5m/min、9m/min、9.5m/min或10m/min等，也可以为7-10m/min范围内的其它任意值。

行进速度可以为5m/min、5.5m/min、6m/min、6.5m/min、7m/min、7.5m/min或8m/min等，也可以为5-8m/min范围内的其它任意值。

气流量可以为18L/min、18.5L/min、19L/min、19.5L/min、20L/min、20.5L/min、21L/min、21.5L/min或22L/min等，也可以为18-22L/min范围内的其它任意值。

其中，焊接电流是影响工件质量的主要工艺参数。当焊接电流低于80A容易导致电弧不稳定，产生气孔、夹杂等缺陷；高于120A容易产生咬边、焊瘤等缺陷，同时增大工件变形。

焊接电压也是影响工件质量的重要工艺参数。当焊接电压低于10V容易导致粘焊条，高于15V容易导致电弧燃烧不稳定、飞溅大及产生咬边、气孔等缺陷。

送丝速度主要影响工件成形质量。当送丝速度低于7m/min容易产生气孔、夹杂等缺陷，高于10m/min容易产生咬边、焊瘤等缺陷。

行进速度同样影响工件成形质量。当行进速度低于5m/min容易使焊缝变宽、余高增加、功率降低；高于8m/min容易导致焊缝变窄、凹凸不平，容易产生咬边及焊缝波形变尖。

气流量主要起到保护电弧和焊接熔池中的液态金属不受大气中的氧、氮、氢等污染，以达到提高焊接质量的目的。当气流量低于18L/min容易导致空气与焊接区域中的熔化金属隔离效果不明显，高于22L/min浪费气体，增加生产成本。

在一些优选的实施方式中，电弧熔丝的工艺条件示例性地包括：焊接电流为100A、焊接电压为12V、送丝速度为8.5m/min、行进速度为6.5m/min以及气流量为20L/min。

较佳地，沉积Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料之前，还包括去除基材表面的氧化皮(例如可进行打磨)及有机物(例如可采用丙酮清洗)，干燥后预热至75-85℃(优选80℃)。

基材经上述前处理后，于其表面进行单方向移动沉积Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料。

上述电弧熔丝过程的冷却速率比激光增材制造方法低，可在很大程度上避免凝固裂纹。按上述方法制备得到的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的组织中，水平方向上呈树枝晶、等轴晶和少量柱状晶的分层分布，沉积方向由等轴晶和少量细长的柱状晶组成，表现出外延生长的特征。该Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件所含的第二相主要包括Mg

该Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的水平方向的硬度为70-75HV

需强调的是，本申请的制备过程还可包括在制备过程中加入辅助场(如超声场和磁场等)进行复合制备，并还可对所得产品进行合适的后续处理(如热处理等)以进一步提高性能。

此外，本申请还提供了上述Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的应用，例如用作大尺寸的铝合金构件。此外，Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件可用作航空航天、交通运输、汽车制造、军事装备或工装夹具中的结构件，例如用作汽车底盘(如无人汽车铝合金底盘)。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件，其由Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料以电弧熔丝的方式沉积于基材表面而得。

其中，Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分包括5.52wt％的Zn、2.56wt％的Mg、1.62wt％的Cu、0.20wt％的Cr以及0.57wt％的杂质元素，余量为Al。

基材的化学成分包括5.65wt％的Zn、2.61wt％的Mg、1.46wt％的Cu、0.22wt％的Cr以及0.36wt％的杂质元素，余量为Al。

上述Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料为直径为1.2mm的7075铝合金焊丝。基材为尺寸为300mm×100mm×6mm的T6态的7075铝合金轧制板。

该Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的制备方法包括：

对基材进行前处理：用打磨机对基材表面进行打磨以去除氧化皮，然后用丙酮清洗去除有机物，干燥后使用火焰将基材预热至80℃，随后进行单方向移动沉积。

将Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料沉积于上述基材表面，电弧熔丝沉积的工艺条件包括：焊接电流为100A、焊接电压为12V、送丝速度为8.5m/min、行进速度为6.5m/min、气流量为20L/min。

上述过程所用的沉积系统由一个带送丝装置的Fronius CMT Advanced 4000R电弧电源、一个安装在KR 150R2700KUKA机器人上的CMT焊枪和一个氩气输送系统及工作平台组成。在沉积前，利用Rhino3D NURBS软件建立标准参考坐标系，其中X轴定义为焊枪的行进方向，Z轴定义为薄壁成形方向，Y轴定义为横向。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分包括5.2wt％的Zn、2.8wt％的Mg、1.5wt％的Cu、0.25wt％的Cr以及0.6wt％的杂质元素，余量为Al。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分包括5.8wt％的Zn、2.2wt％的Mg、1.8wt％的Cu以及0.15wt％的Cr，余量为Al。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分包括5wt％的Zn、2wt％的Mg、1wt％的Cu、0.1wt％的Cr以及0.4wt％的杂质元素，余量为Al。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于：Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分包括6wt％的Zn、3wt％的Mg、2wt％的Cu、0.3wt％的Cr以及不超过0.8wt％的杂质元素，余量为Al。

实施例6

本实施例与实施例1的区别在于：电弧熔丝的工艺条件包括：焊接电流为80A、焊接电压为10V、送丝速度为7m/min、行进速度为5m/min以及气流量为18L/min。

实施例7

本实施例与实施例1的区别在于：电弧熔丝的工艺条件包括：焊接电流为120A、焊接电压为15V、送丝速度为10m/min、行进速度为8m/min以及气流量为22L/min。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于，所用的Al-Mg-Zn-Cu铝合金原料的化学成分组成为：8wt％的Zn、5wt％的Mg、1wt％的Cu、0.35wt％的Fe、0.03wt％的Si以及0.1wt％的Cr，余量为Al。所得铝合金电弧增材制造件的水平方向的硬度为68HV

对比例2

本对比例与实施例1的区别在于，电弧熔丝的工艺条件为：焊接电流为50A、焊接电压为8V、送丝速度为6m/min、行进速度为4m/min以及气流量为15L/min。所得铝合金电弧增材制造件的水平方向的硬度为51HV

对比例3

本对比例与实施例1的区别在于，电弧熔丝的工艺条件为：焊接电流为150A、焊接电压为18V、送丝速度为12m/min、行进速度为10m/min以及气流量为25L/min。所得铝合金电弧增材制造件的水平方向的硬度为63HV

试验例

以上述实施例1所得的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件进行宏观形貌分析、显微组织分析、物相分析、力学性能分析(显微硬度、耐磨性、拉伸性能)以及耐蚀性能分析。

各分析和测试方法及结果具体如下：

①宏观成型形貌分析

表面粗糙度是衡量零件表面成型质量的重要表征参数，其直接影响着成型件服役性能及使用寿命。

本试验中利用奥林巴斯LEXT OLS5000型激光共聚焦扫描显微镜(3D MEASURINGLASER MICROSCOPE OLS5000)对成型样进行表面粗糙度测试。

其结果如下：

实施例1所得的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件(以下可简称为“沉积样”)的宏观形貌如图1中的图1(a)所示，从正面看，沉积样的表面总体较为平滑光亮，呈现出周期性的凹凸纹路，可以区分出每个独立沉积层，焊道与焊道之间的搭接区域平整紧密，沿成形方向无偏移现象，无咬边、焊瘤等缺陷。图1(b)为沉积体一小部分试样的表面粗糙度三维表面形貌，图1(c)为扫描线，图1(d)为相应的坐标曲线，由该图可以得出：该试样的轮廓最大高度Rz为112.567μm，Ra轮廓算术平均偏差为5.95μm。

上述多层单道沉积样侧面无明显波动，具有良好的层间界面搭接特性，成形特性良好的主要原因可能在于：前一层沉积在后续电弧作用下，上部区域二次融化，但重熔过程均匀稳定，使得熔滴平稳过渡至熔池。

②显微组织分析

方法：采用JEOLJSM-7500型场扫描电子显微镜(SEM)分析粉末、沉积样的微观组织与元素成分分布。

其结果如图2所示：

图2(a)和图2(b)为沉积样在水平方向的显微组织形貌，前者为100倍放大图，后者为500倍放大图。图2(c)和图2(d)为沉积样在沉积方向的显微组织形貌，前者为100倍放大图，后者为500倍放大图。

在图2(a)和图2(b)中，试样区域的显微组织主要包含少量细小的柱状晶组织和大量的具有不规则特性的等轴晶组织，其原因可能是熔池中心较高的冷却速度易获得细小的晶粒，形成细晶区。熔池边缘冷却速度慢，且在前一层沉积完全后第二层焊接时边缘区域二次融化，导致熔池边缘处承受大量焊接热输入，发生部分重熔，晶粒粗化，形成粗晶区。重熔过程均匀稳定，使得熔滴平稳过渡至熔池，导致在水平方向出现不规则特性的等轴晶组织。

在图2(c)和图2(d)中，层内区域的大多数晶粒呈现粗大的等轴特征，而少量细长的柱状晶粒组织则沿层间边界线分布着,在沉积方向顶层的热积累更多，这意味着顶部熔池的温度梯度较小，导致温度梯度方向提前改变。根据熔池的传热特性，凝固过程是从熔池底部到顶部进行的，在凝固过程中液态金属与固态基体保持接触。与熔池内的形核相比，熔池与固态基体界面形核过冷度通常是最低的，这意味着提供了良好的形核点。因此，随后的熔池凝固过程呈现出典型的外延生长特征。

本申请实施例1提供的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件金相组织(图2(e))与铸态7075铝合金的金相组织(图2(f))相比，晶粒尺寸更加细小，分布更均匀。这主要是因为电弧熔丝液相金属的凝固速度快，且电弧对熔池具有搅动作用，其凝固过程为动态凝固，大量的析出相来不及聚集，呈弥散分布。

为了表征实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的显微组织和枝晶中铝合金中元素分布，进行了扫描电镜和能谱分析，如图3所示，图3(a)表示水平方向的EDS元素分布图，图3(b)表示沉积方向的EDS元素分布图，图3结果表明：主要的合金元素分布存在一定的偏析。在非平衡结晶过程中，它们在晶界和枝晶边界富集，形成析出第二相。

表1不同区域的EDS能谱分析(At.％)

这些第二相连续分布在晶界上，形成复杂的网格，如图4所示，图4(a)表示水平方向的SEM EDS分析结果图，图4(b)表示沉积方向的SEM EDS分析结果图，图4显示：少量灰色相被白色相包裹。对其4个点上进行能谱分析以确定化学成分，结果如表1所示，其中白色相的化学成分相似，铝的含量较高，镁含量相对于其它合金元素偏高，而铜的比例较低。锌的含量明显降低。在电弧制造过程中，下一层对上一层的重复加热导致上一层的部分熔化，由于Zn是一种挥发性金属，熔点和沸点较低，熔池中所达到的高温导致了Zn汽化，故Zn元素的烧损导致存在少量气孔。此外Fe，Si等合金元素熔点较高，故形成的第二相不会在重复加热过程中溶解，当合金元素在非平衡凝固过程中溶解时，如果没有晶体结构的证据，很难从测试的化学成分中确定的相类型，初步可以判断出为析出的第二相，它们有些沿晶界分布，有些弥散分布在晶界交界处或晶内。

③相结构

用线切割机沿沉积行进方向切割成尺寸10×10×6mm方块，用砂纸打磨平整光滑后采用荷兰帕纳科X射线衍射仪(XRD)分析相组成，采用波长为1.54060的Cu靶，扫描速度(2θ)为5deg/min，扫描范围；20deg～90deg，步长0.02deg。

相结构测试结果如下：

实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件水平方向与沉积方向以及铸态7075铝合金(由深圳市辉宇金属材料有限公司提供，下同)的XRD分析结果如图5所示。7075铝合金的基体相为α-Al，主要的合金元素为锌、镁和铜，实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件水平方向与沉积方向的相主要由α-Al、少量Al

④力学性能分析

A、显微硬度

方法：采用HV-50型小负荷维氏硬度计对试样进行显微硬度分析，加载力为1.98N，各测点间距为5mm。每个硬度值重复测试三次，取平均值。

结果：如图6所示，该图为实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件水平方向与沉积方向的显微硬度分布图。由该图可知，该Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件的水平方向平均硬度为73.15HV

B、耐磨性

方法：采用HSR-2M型高速往复摩擦试验机检测耐磨性能，磨球材质为GCr15，载荷为50N，往复行程为6mm，测试时间为15min。

结果：如图7所示，其显示了实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件在水平方向和沉积方向的耐磨性。图7(a)可以看出，实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件水平方向和沉积方向的平均摩擦系数分别为0.511和0.356，图7(b)可以看出，实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件水平方向和沉积方向的平均磨损量分别为1.093mm

C、拉伸性能

方法：选择的微机控制电子万能试验机型号为MTS810(250KN)，搭配使用激光引伸计用于测量应变(延伸率)。将拉伸的初始应变速率设置为1mm/min，拉力为50N。

结果：如图8所示，对实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件和7075铝合金铸件进行了沿沉积方向和水平方向的拉伸试验，以评价其宏观力学性能。图8(a)显示了样品的拉伸曲线，图8(b)显示了从拉伸曲线获得的强度和伸长率。实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件水平方向的平均抗拉强度为358.64MPa，平均屈服强度为196.15MPa，平均延伸率为37.9％；实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件沉积方向的平均抗拉强度为269.29MPa，屈服强度为140.65MPa，延伸率为32.52％。水平方向的平均屈服强度和极限强度分别比沉积方向高24.91％和26.03％，力学性能的各向异性可以归因于微观结构的变化。结合图2，试样具有强烈向上伸长的树枝晶。与垂直试样相比，水平试样在加载方向上有更多的枝晶边界或枝晶间区域，因此在断裂发生前，随着载荷的增加，该区域的裂纹形核可以容纳更多的位错。

进一步地，采用JEOLJSM-7500型场扫描电子显微镜(SEM)对上述沉积试样进行了断口分析，图9显示了拉伸试样的断口形貌，其中图9(a)和图9(b)为水平方向，图9(c)和图9(d)为沉积方向。断口表面有少量气孔，Zn气孔主要来自于电弧熔丝工艺中电弧温度较高导致Zn的蒸发，但在铝液凝固过程中，蒸汽会留下来形成气孔。试样断口水平方向和沉积方向均有大量的韧窝，说明电弧熔丝工艺制备得到的7075铝合金具有良好的塑性，断裂方式表现为典型的韧性断裂。与沉积方向的试样相比，水平方向的枝晶边界或枝晶间区域较多，在裂纹形核过程中可以容纳更多的位错，因此塑性更好。

⑤耐腐蚀性能

方法：采用IM-6型电化学工作站进行电化学腐蚀实验来采集极化曲线。采用三电极法，试样电极为工作电极，饱和甘汞电极和铂电极分别作为参比电极和辅助电极，腐蚀环境为3.5％NaCl溶液。

其结果如图10所示，图10(a)显示了铸造7075铝合金和实施例1的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件在水平方向和沉积方向的极化曲线。表2显示了通过Tafel外推法获得的主要电化学参数。

表2沉积样在沿积方向、水平方向以及铸造7075铝合金的电化学腐蚀结果

结果表明，铸造7075铝合金的自腐蚀电位为-1.0076V，自腐蚀电流为-2.6876A/cm

与铸态7075铝合金相比，本申请提供的沉积试样具有更高的自腐蚀电位、更小的自腐蚀电流以及水平方向和沉积方向更宽的钝化区，因此沉积试样具有更好的耐蚀性。此外，水平方向和沉积方向的耐蚀性差异不大。这是因为耐蚀性与晶粒尺寸和析出相有关。增材制造产生的晶粒尺寸较小，分布较均匀，且由于凝固速度较快，析出相较晚不能聚集，耐蚀性较好。

图10(b)显示了三个样品的腐蚀形貌的3D轮廓。从该图可以看出，铸造7075铝合金腐蚀后的表面粗糙度更大，腐蚀程度更严重。表面点蚀越集中，点蚀坑越大。

综上所述，本申请通过采用特定的原料和制作工艺参数结合，使得采用电弧熔丝方法制作兼具较高的力学性能及耐蚀性的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件成为可能，所制得的Al-Mg-Zn-Cu铝合金试件在沉积方向具有较高的硬度和耐磨性，且该试件整体具有较高的自腐蚀电位、较低的腐蚀电流密度以及较高的力学拉伸性能，满足目前大尺寸和复杂结构的铝合金产品的高性能要求，可用作航空航天、交通运输、汽车制造、军事装备或工装夹具中的结构件。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。