稀土增强铝合金选区激光熔化力学性能的研究

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7075铝合金凝固区间大、热导率和激光反射率高,在选区激光熔化(SLM)成形过程中易出现裂纹和孔洞问题,而添加少量的稀土元素铈(Ce)有望改善这些缺陷。因此,本文采用低能球磨法制备不同含量的Ce/7075铝合金粉末,根据致密度、粗糙度、裂纹和孔洞、显微组织和力学性能等指标,优化了Ce的添加量,在其基础上进一步优化含最适宜添加量Ce的7075铝合金的SLM工艺参数。制备了Ce含量为0wt.%、0.1wt.%、0.3wt.%、0.5wt.%的Ce/7075铝合金粉末,进行SLM成形并分析。研究结果表明:较之无Ce的7075铝合金SLM成形试样,添加一定量的Ce后,在SLM成形过程中与Al发生反应生成Al3Ce,Al3Ce充当异质形核点,使得试样的晶粒细化,从而试样的力学性能提高。其中,Ce的最适宜添加量为0.3wt.%,其晶粒细化效果大于添加量为0.1wt.%和0.5wt.%的试样,因此,成形件的致密度和综合力学性能最好。用Comsol Multiphysics建立SLM成形0.3wt.%Ce/Al7075的仿真模型,通过分析不同工艺参数对SLM成形过程中热行为和熔池尺寸来指导实验。仿真结果表明:熔池的冷却速率随着激光功率或扫描速度的增大而增大;当激光功率增大或扫描速度降低时,熔池中液相存在的时间增加,熔池的长度、宽度和深度也逐渐增大。参照仿真结果,针对0.3wt.%Ce/Al7075的选区激光熔化进行了工艺参数优化。结果表明:试样的缺陷(裂纹和孔洞)随着激光能量密度的增加而减少,试样的致密度得到了提高。同时,试样的表面粗糙度逐渐减小,表面质量变得平整、光滑。但当激光能量密度过大时,试样的缺陷再次增加,导致上述各指标变差。最优的激光能量密度为317J/mm3(即激光功率为500W,扫描速度为750mm/s,扫描间距为0.07mm,层厚为0.03mm),此时试样的抗拉强度和断裂伸长率达到最大,分别为332MPa和6.9%。但由于该激光能量密度下Mg和Zn元素蒸发严重,其显微硬度较小。
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