激光粉末床熔融成形含钛Al-Mg-Si合金的显微组织与力学性能

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制备出高性能、精密复杂的铝合金零部件是激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion,LBPF)成形技术面临的难题之一。Al-Mg-Si合金具有高塑性、低成本的潜力,但Al-Mg-Si合金的凝固温度区间较宽,易于在LPBF成形凝固后期产生热裂纹;且目前传统牌号Al-Mg-Si合金的强度仍然偏低,需要在消除热裂纹的基础上进一步提高其强度。成分优化与显微组织调控是解决热裂与强度问题的主要途径。本文采用低能球磨法制备出TiH2/Al-Mg-Si复合粉末,通过LPBF技术制备出无裂纹含钛Al-Mg-Si合金;在添加TiH2的基础上,同时添加亚微米Mg2Si颗粒进一步调控含钛Al-Mg-Si合金成分与显微组织,提高合金的综合力学性能。在成分优化的基础上,对LPBF工艺参数与热处理工艺参数进行优化以进一步提高合金的综合力学性能,旨在为LPBF技术制备高性能、低成本的铝合金提供技术参考。对比分析了不同TiH2添加量的含钛Al-Mg-Si合金热裂情况、显微组织与力学性能,并在最佳TiH2添加量基础上优化LPBF成形工艺参数。结果表明:当添加1 wt.%TiH2颗粒,工艺参数为激光功率300 W、扫描速率1000 mm/s时,含钛Al-Mg-Si合金成形质量最佳,平均晶粒尺寸为2.53μm,抗拉强度为274 MPa,断后伸长率为18%。TiH2热分解产生的Ti元素与铝熔体原位反应形成L12-Al3Ti形核质点,具有良好的异质形核作用,显著地细化晶粒,抑制粗大柱状晶粒和裂纹的形成。TiH2添加导致的晶粒细化、裂纹消除及第二相强化有利于提高合金的抗拉性能。在添加1 wt.%TiH2的基础上,同时在铝基复合粉末中添加了不同含量的Mg2Si颗粒。对比分析了不同Mg2Si添加量的含钛Al-Mg-Si合金显微组织和力学性能,并在添加Mg2Si颗粒的基础上优化了LPBF成形工艺参数。结果表明:当添加2 wt.%Mg2Si颗粒,工艺参数为激光功率270 W、扫描速率1000 mm/s时,含钛Al-Mg-Si合金成形质量较好。合金抗拉强度为328 MPa,断后伸长率为12.6%,合金平均晶粒尺寸减小到1.99μm。Mg2Si颗粒在激光作用下溶解,熔体中的Mg、Si元素含量增加,抑制Ti元素的固溶,有利于析出更多的Al3Ti形核质点,故Mg2Si颗粒的加入促进晶粒尺寸进一步减小。Mg2Si颗粒添加导致β??强化相析出量增多,平均晶粒尺寸减小,有利于提高合金的抗拉性能。优化了含钛Al-Mg-Si合金T6热处理工艺,分析了T6热处理对其物相与力学性能的影响。结果表明:540℃固溶1 h,180℃人工时效8 h为最佳热处理工艺。经优化的T6热处理后,含钛Al-Mg-Si合金的抗拉强度为373 MPa,断后伸长率为14.0%;含钛Al-Mg-Si合金中共晶Mg2Si数量减少,析出大量的β??强化相。大量β??强化相的析出有利于含钛Al-Mg-Si合金抗拉强度的提升,而共晶Mg2Si数量减少有利于含钛Al-Mg-Si合金断后伸长率的提升。
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