激光选区熔化成形含锆/钛Al-Cu-Mg合金的显微组织与力学性能

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采用激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)制备Al-Cu-Mg合金制件可满足航空航天领域对轻量化精密复杂零件的需求。但是Al-Cu-Mg合金的凝固温度区间宽,在SLM成形时易热裂。细化晶粒是抑制SLM成形高强铝合金热裂纹的主要途径之一。本研究以亚微米ZrH2、TiH2和Al3Zr颗粒为晶粒细化剂,采用低能球磨组装修饰法改性Al-Cu-Mg合金粉末;通过优化ZrH2添加量和调控SLM工艺参数提升沉积态Al-Cu-Mg合金的成形质量,并讨论含原位生成Al3Zr的沉积态合金的晶粒细化机制和强化机制;研究分别添加TiH2和ZrH2以及不同方式添加Al3Zr对沉积态试样显微组织与力学性能的影响;采用T6热处理和热等静压技术(Hot Isostatic Pressing,HIP)进一步改善合金的力学性能,为SLM成形Al-Cu系合金的研究开发提供技术参考。制备ZrH2质量分数分别为1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%的ZrH2/Al-Cu-Mg复合粉末,对比分析了采用不同SLM工艺参数成形的含锆Al-Cu-Mg合金的显微组织和力学性能。结果表明:ZrH2最佳添加量为1.5wt.%(0.45at.%),添加ZrH2扩大了Al-Cu-Mg合金的SLM工艺窗口。当激光能量密度为370 J/mm~3时,含锆Al-Cu-Mg合金的成形质量最优,致密度可达97.2%,该试样晶粒平均尺寸为1.28mm,抗拉强度为369±12 MPa,伸长率为12.4±1.5%。合金晶粒细化是因为ZrH2与铝溶体反应生成的亚稳态Al3Zr(L12-Al3Zr)即可充当a-Al的形核衬底,也能抑制晶粒长大。晶粒细化后的试样无热裂纹,细晶强化机制主导了沉积态试样综合力学性能的提升。利用TiH2和ZrH2原位生成的Al3Ti和Al3Zr颗粒以及直接添加的Al3Zr颗粒作为形核剂,对添加不同晶粒晶粒细化剂的Al-Cu-Mg合金复合粉末进行SLM成形。结果表明:当激光能量密度为370 J/mm~3时,含钛Al-Cu-Mg合金的晶粒平均尺寸为4.85mm,抗拉强度仅为257±3 MPa,伸长率仅为3.8±0.1%;直接添加Al3Zr的Al-Cu-Mg合金的晶粒平均尺寸为1.88μm,抗拉强度为358±2 MPa,伸长率为8.2±0.4%。ZrH2的细化晶粒效果比TiH2好,添加TiH2试样的晶粒平均尺寸是添加ZrH2试样的3.8倍,L12-Al3Zr比L12-Al3Ti更易生成。原位生成Al3Zr比直接添加Al3Zr更有利于细化晶粒、提升合金的塑性和成形效率,直接添加Al3Zr试样的伸长率比原位生成Al3Zr的试样低33.8%。原位生成Al3Zr提供的形核质点均为形核能力更强的L12-Al3Zr,几乎无需依赖高的激光能量密度来实现晶粒细化剂的分散。对热处理和热等静压处理的含锆Al-Cu-Mg合金进行研究,并优化了热处理工艺。结果表明:经HIP处理后,试样的致密度可达99.2%。再置于540℃固溶处理1 h、150℃时效处理10 h后,试样的伸长率均超过15%,当激光能量密度为370 J/mm~3时,试样抗拉强度为491±13 MPa,伸长率为18.7±2.8%。经T6、HIP以及HIP-T6处理的试样显微组织相似,部分L12-Al3Zr溶解或者发生平衡相变,针棒状Al3Zr平衡相(D023-Al3Zr)在晶界处析出;但是,经HIP处理的试样存在粗大S相,热处理也无法完全消除。
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