论文部分内容阅读
Al-Si-Mg系铝合金具有强度高、密度小和热传导性优良等特点,是较为成熟的轻量化材料。选择性激光熔化（SLM）技术可实现复杂金属零件的一次近净成型,获得的成型件具有力学性能优异、尺寸精度高、表面质量好等特点,在航空航天、医疗器械等领域前景广阔。SLM成型过程中,激光与合金粉末剧烈交互作用,粉末瞬间熔化和凝固,熔体冷却速率达103-106 K/s,可大幅增加合金化元素的固溶度,增加力学性能。SLM成型铝合金研究较晚,现阶段所用SLM成型Al-Si-Mg系铝合金主要基于传统铸造合金成分,合金化元素含量有限,无法大幅度提高合金性能,扩大应用领域。基于此,本课题依据“团簇+连接原子”模型在传统A357(Al91.72-93.06Si6.25-7.24Mg0.5-0.78)合金成分上设计获得高Mg含量的Al90.18Si8.31Mg1.5合金新成分,探索不同SLM成型工艺和热处理条件对Al90.18Si8.31Mg1.5合金结构、组织和性能的影响。具体内容如下:合金熔体在快速凝固过程中,熔体-固体之间局域短程结构具有遗传性和相容性,这一局域结构可以用“团簇+连接原子”模型来描述。基于Al-Si合金固溶体（FCC）和Mg2Si的晶体结构,以溶质原子Si为心,可获得Si-Al和Si-Mg原子间的稳定团簇分别为:[Si-Al12]和[Si-Mg12Si4]。通过添加连接原子Al和适当调整两类团簇的比例,可设计获得Al-Si-Mg系铝合金成分为:{[Si-Al12]+0.02[Si-Mg12Si4]}Al1=Al90.18Si8.31Mg1.5（质量百分比）。通过气雾化法制备新成分合金粉末,经分析约93%的粉末粒径分布在20-60μm之间,平均粒径为35.2μm,粉末以球状为主,分布均匀,部分有轻微团聚现象,含有少量空心粉。采用SLM制备Al90.18Si8.31Mg1.5合金样品,研究不同激光功率和扫描速率对样品成型性能的影响。结果表明,当激光功率为200 W,扫描速度为1200 mm/s时,样品总体成型性能较好,此时样品密度高、硬度大,孔洞、球化等缺陷较少。SLM制备Al90.18Si8.31Mg1.5合金微观组织中主要物相为网络状共晶Si结构和岛状α-Al结构,根据Si相和α-Al基体结构的大小和形状可将熔池由内向外分为细晶区、粗晶区和热影响区。样品拉伸性能优于传统铸造合金,同时SLM制备试样的力学性能存在各向异性,沉积试样横向屈服强度和延伸率略高于纵向,纵向拉伸试样抗拉强度和屈服强度分别为514-524 MPa和326-357 MPa,延伸率为6.2-6.5%。研究热处理工艺对SLM制备Al90.18Si8.31Mg1.5合金样品的组织结构及力学性能的影响。结果表明:在300℃下保温0-3 h,随着保温时间的延长,试样硬度明显降低,压缩屈服强度也呈降低趋势,塑性明显提高;在100-535℃下分别保温2 h,样品的硬度随着温度的升高先增加后快速降低,150℃时硬度值最大,极限抗拉强度和屈服强度变化趋势与硬度变化趋势相近;在150℃下保温0-48 h,随着保温时间延长,样品的硬度逐渐增大,在12 h时硬度值最大,169±2 Hv,保温时间超过12h后,硬度开始缓慢降低。极限抗拉强度和屈服强度变化趋势与硬度变化趋势相近,在12h时,最大抗拉强度和屈服强度分别为549±18 MPa和408±17 MPa,此时延伸率约3.5%。