激光粉末床熔融制备高强Al-Cu-Mg-Si合金及其组织性能研究

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铝合金因质轻、高强、耐腐蚀等特点,在航空航天、车辆工程和海洋工程等领域有着广阔的应用。但传统铸造成形的铝合金在复杂形状零部件的生产上存在生产周期长、模具成本高、材料利用率低等问题,而激光粉末床熔融技术(LPBF)拥有一体化成形复杂形状和精密零件的能力,因此,LPBF成形铝合金具有极大的发展潜力,但是由于铝合金本身物理特性以及LPBF技术特点,LPBF成形铝合金易产生热裂纹及孔洞等缺陷。在总结其他研究者成果的基础上,本论文设计了Al-Cu-Mg-Si合金成分,采用不同的激光粉末床熔融(LPBF)工艺成形了Al-Cu-Mg-Si合金,并且讨论了打印工艺参数对LPBF成形Al-Cu-Mg-Si合金的显微形貌、物相分布、力学性能、摩擦磨损性能以及耐腐蚀性能的影响,主要研究内容如下:(1)研究了不同激光粉末床熔融(LPBF)工艺参数对Al-Cu-Mg-Si合金粉末的致密化行为的影响机制,获得了LPBF成形高致密和无裂纹的Al-Cu-Mg-Si合金的优选工艺窗口:激光功率270W,扫描速度300mm/s,扫描间距90μm,铺粉厚度30μm。此工艺下,致密度99.88%、孔隙率0.129%,横截面和纵截面的最大显微硬度分别为130.1Hv和109.2Hv。熔池边界以超细等轴晶为主,平均晶粒尺寸约为2μm。(2)LPBF成形Al-Cu-Mg-Si合金抗拉强度为435MPa,屈服强度为346MPa,伸长率为12%。Al-Cu-Mg-Si合金样品拉伸断面观察到大量小且致密的韧窝,发生了韧性断裂。较高的抗拉强度主要由晶界强化和第二相强化两种强化机制引起。由于LPBF的快速凝固特性,LPBF成形Al-Cu-Mg-Si合金具有更均匀的显微组织和更细小的晶粒尺寸,并且LPBF成形铝合金中观察到Mg2Si,Al3Zr等第二相粒子,在拉伸载荷的作用下有利于LPBF成形Al-Cu-Mg-Si合金拉伸断面形成小而致密的韧窝。LPBF成形Al-Cu-Mg-Si合金的磨损率和摩擦系数均较铸造ZL205A合金不同幅度的降低,所以它的抗磨损的性能持续且稳固。LPBF成形Al-Cu-Mg-Si合金横截面的耐磨性最好,纵截面耐磨性次之,铸造ZL205A的耐磨性最差。(3)LPBF成形Al-Cu-Mg-Si合金的腐蚀规律与ZL205A铝合金相同,在腐蚀环境中首先发生点蚀,然后发展成晶间腐蚀。LPBF法制备的Al-Cu-Mg-Si合金水平截面的耐蚀性能优于ZL205A铝合金。其水平截面和纵向截面的耐蚀性能有显著差异,水平截面的耐蚀性能好于纵向截面。由于LPBF加工过程的逐层特性,在水平和纵向截面上的熔池边界密度显著不同,纵向平面的熔池边界密度比水平截面大得多,这是由于纵向截面上的Al2Cu相比水平截面上的高得多,所以水平截面的耐蚀性能好于纵向截面。
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