激光重熔Al-Cu-Mn合金组织与性能研究

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Al-Cu-Mn系铝合金具有强度高、加工性能良好、且价格低密度小等优点,因此被广泛应用于航空航天、兵器及汽车等领域。但现有的合金难以满足各领域对合金性能的要求。激光重熔处理通过提高合金的过冷度,细化铸态铝合金表面晶粒尺寸,可以使合金强度提高。而热处理能够进一步提高其力学性能和其他使用性能。本文以Al-Cu-Mn合金作为研究对象,针对传统Al-Cu-Mn合金难以各领域对合金强度和耐磨性的要求,利用激光束对铸造合金表面进行激光重熔,制备了激光重熔Al-Cu-Mn合金材料,系统的研究了激光重熔对Al-Cu-Mn合金表面微观组织和各项性能的影响,以及热处理工艺对基体区与重熔区的微观组织及力学性能影响,具体分析了热处理后重熔区的物相组成及析出相演变,主要研究内容和结果如下:(1)研究了激光重熔过程中工艺参数对合金温度场分布的影响。结果表明,在重熔区的前端,合金中等温线密集分布且其梯度较大,在重熔区后端,合金的等温线分布稀疏且梯度较小。当激光功率增大时,熔池峰值温度、熔池的宽度及深度增大。当扫描速度增加时,熔池峰值温度、熔池的深度及宽度变小,但变化的速度有所降低。(2)研究了激光重熔对Al-Cu-Mn合金表面微观组织及力学性能影响,结果表明,重熔区组织主要是由等轴枝晶和细小的柱状枝晶组成。经过激光重熔处理后α(Al)相及θ(Al2Cu)相得到很大程度的细化。基体中的T(Al12Cu Mn2)相完全溶入α(Al)基体中,重熔区Mn元素均匀分布,未出现偏析现象。重熔区硬度随着熔池高度的增加显著提高,其强化机制主要为细晶强化和第二相强化。重熔处理后试样进行摩擦磨损性能测试时,表面犁沟相较铸造Al-Cu-Mn合金更浅,且磨屑也更小,合金的磨损机制主要为磨粒磨损以及粘着磨损。(3)研究了热处理工艺对激光重熔Al-Cu-Mn合金基体及重熔区组织演变及力学性能的影响。时效工艺相同情况下,530℃固溶4h时硬度最高,基体区较未经固溶时效的提高了80%,重熔区较未经固溶时效的提高了59.1%。固溶工艺相同,硬度达到峰值的时间随时效温度的升高减短,重熔区与基体达到峰值的时间相近,在175℃时效8h基体和重熔区的硬度均达到最高。时效后合金基体及重熔区磨损机制依旧磨粒磨损和粘着磨损,且由于合金强度升高,合金的摩擦系数降低。(4)研究了直接时效对激光重熔Al-Cu-Mn合金热稳定性影响。结果表明,激光重熔Al-Cu-Mn合金在350℃保温,随着保温时间延长,基体中Mn元素分布逐渐均匀。当温度升至450℃保温时,随保温时间延长,合金中的θ(Al2Cu)相出现了明显的固溶现象。直接时效处理后合金基体和重熔区的硬度在保温的前几个小时迅速增高,随后硬度急剧下降后长时间小范围波动,主要的磨损机制依旧为磨粒磨损和粘着磨损。
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