高强度铝合金Al7075增材制造组织与性能研究

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Al-Zn-Mg-Cu系合金因密度低、比强度高、良好的韧性和抗腐蚀性能等特点而广泛应用于航空航天、交通运输、汽车制造、军事等领域,增材制造技术从三维数字化模型直接制造成实体零件,可以使得零件结构轻量化、性能复合化,具有节约材料,制造周期短、低成本等优点。因此增材制造Al-Zn-Mg-Cu系合金有着重要的研究意义及良好的应用前景。Al-Zn-Mg-Cu系合金的凝固温度范围较小,凝固开裂性较为敏感,因此这类合金的增材制造技术应用发展相对较为缓慢。为了研究Al-Zn-Mg-Cu系合金增材制造的可行性,本文通过两种增材制造方式:激光熔化沉积与电弧熔丝,来探究和实现高强度铝合金Al7075的增材制造。首先通过不同的激光功率激光熔化沉积制备7075铝合金,探究了不同激光功率对宏观形貌、致密度、组织与性能的影响,并对组织特征,相形成,及析出相进行了表征,沉积过程中存在氧化、粉末球化现象,沉积试样存在轻微塌陷,当激光功率为1.1 kw时,沉积试样的表面形貌更平整,表面粗糙度轮廓更小,致密度更高,组织气孔缺陷更少,硬度最高。沉积样组织演变主要呈现为由于柱状晶向等轴晶转变,在底部和中部形成柱状晶,在顶部形成等轴晶,组织呈现典型的择优取向生长。沉积试样的相主要由基体α-Al相和析出相组成,其析出相的形状大小不一,分布不均匀。沉积试样的抗拉强度为158.66 MPa,屈服强度为122.3 MPa,延伸率为2.3%,表现出了低的强度和较差延展性,主要受气孔缺陷所导致。断口形貌表明其断裂形式主要为脆性断裂、断裂机制为沿晶断裂。基于电弧熔丝(WAAM)沉积率高、材料利用率高、特别是在大尺寸构件的制造上更是独具一格的优势,同时结合CMT(Cold Metal Transfer)工艺在控制热输入、减少飞溅、细化晶粒等方面的特点,采用CMT-WAAM沉积系统制备了单道次多层Al-Zn-Mg-Cu铝合金,并对其组织和力学性能进行了综合分析,并与铸造7075铝合金进行了比较。沉积试样的显微组织在水平方向上呈树枝晶、等轴晶和少量柱状晶的分层分布,沉积方向由等轴晶和少量细长的柱状晶组成,表现出外延生长的特征,两个取向均比铸造7075铝合金的组织更加细小。水平方向平均硬度为73.15 HV0.1,抗拉强度为358.64 MPa,屈服强度为196.15 MPa,延伸率为37.9%。沉积方向平均硬度为86.06 HV0.1,抗拉强度为269.29 MPa,屈服强度为140.65 MPa,延伸率为32.52%。硬度、耐磨性、拉伸等力学性能与传统铸造7075铝合金相比更低,但耐蚀性更好。为了进一步的了解CMT-WAAM沉积的组织演变特征、析出相规律,对沉积试样进行了EBSD、EMPA、TEM表征,其结果表明沉积试样在(111)方向上存在择优取向,既织构。元素存在偏析。主要合金元素Si、Cu的溶质分配系数偏小,它们在晶界和枝晶界富集,形成残留的第二相,第二相主要形状为棒状、椭圆状,经高分辨透射电镜、和能谱分析鉴定为Mg2Si和η(Mg(Zn,Cu,Al)2)相。
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